Bước đột phá này cho phép chuyển đổi hiệu quả các tinh thể đa tinh thể thải thành tinh thể đơn hiệu suất cao, giúp đơn giản hóa quá trình tái chế trong sản xuất pin.

Một khám phá trong công nghệ pin lithium mang lại tiềm năng cho vật liệu pin rẻ và bền hơn. Bước đột phá nằm ở việc sử dụng muối lithium thông thường và quá trình thăng hoa. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã tiết lộ cách sử dụng quá trình thăng hoa tự nhiên để tạo ra vật liệu pin đơn tinh thể. Khám phá này mở ra cánh cửa cho việc sản xuất pin lithium-ion thế hệ tiếp theo hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.

Hiểu về sự thăng hoa và vai trò của nó

Thăng hoa là khi chất rắn chuyển trực tiếp thành hơi, bỏ qua pha lỏng. Hiện tượng này được quan sát thấy ở sao chổi, nơi băng trở thành hơi khi đi qua gần mặt trời. Tại PNNL, các nhà khoa học đã áp dụng quy trình này cho lithium oxide (Li2O). Họ phát hiện ra khi Li2O thăng hoa ở áp suất mực nước biển, nó sẽ đẩy nhanh quá trình hình thành tinh thể đơn khi trộn với các tiền chất giàu niken, vốn rất cần thiết cho sản xuất pin. 

Jie Xiao, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: "Phát hiện này mở ra phương pháp có khả năng nhanh hơn, hiệu quả hơn và rẻ hơn để mở rộng quy mô sản xuất pin lithium-ion giàu niken".

Xây dựng vật liệu pin cũng giống như nướng bánh - trộn đúng nguyên liệu, tạo nhiệt và cuối cùng tạo ra thứ gì đó hữu ích. Trong trường hợp pin, các nhà nghiên cứu hướng đến mục tiêu tạo ra vật liệu hiệu quả cho điện cực dương và âm, hay catốt và anot.

Niken - vật liệu rẻ và chứa nhiều năng lượng hơn, gần đây đã trở thành trọng tâm của các nhà nghiên cứu muốn cải thiện hiệu suất pin. Việc tăng hàm lượng niken trong pin lithium-ion có thể giúp chúng hợp túi tiền và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, có một thách thức, các catốt giàu niken có xu hướng tạo thành tinh thể đa tinh thể, các cấu trúc có thể yếu đi và nứt theo thời gian khi pin sạc và xả. Các vết nứt này làm giảm tuổi thọ của pin. 

Xiao cho biết: “Bạn có thể tưởng tượng những hạt nhỏ đó kết tụ lại với nhau, chúng bị đẩy và kéo khi pin sạc và xả. Chuyển động này có thể tạo ra các vết nứt, làm yếu pin. Các cấu trúc đơn tinh thể như những cấu trúc được hình thành bằng phương pháp thăng hoa, không có điểm yếu này. Các cực âm đơn tinh thể không có những điểm yếu phát sinh từ cấu trúc đa tinh thể".

Công nghệ pin lithium mới hứa hẹn vật liệu rẻ hơn và bền hơn. (Hình ảnh minh họa)

Bí ẩn của sự thăng hoa 

Phát hiện đột phá này xuất hiện khi nhóm của Xiao thử nghiệm với các loại muối lithium khác nhau, bao gồm lithium oxide (Li2O). Không giống như lithium hydroxide (LiOH) thường được sử dụng do có điểm nóng chảy thấp, Li2O có điểm nóng chảy cao hơn nhiều. 

Mặc dù vậy, khi Li2O kết hợp với các tiền chất giàu niken ở nhiệt độ khoảng 1.652°F (900°C), các nhà nghiên cứu phát hiện ra nó dễ dàng hình thành các vật liệu đơn tinh thể. Sau một số thí nghiệm, nhóm đã hợp tác với Thermo Fisher Scientific để nghiên cứu phản ứng. Sử dụng MicroReactor, họ xác nhận rằng sự thăng hoa của Li2O thúc đẩy phản ứng.

"Chúng tôi rất vui mừng khi ghi lại phản ứng giữa Li2O và tiền chất trong kính hiển vi", Libor Novák, nhà phát minh ra MicroReactor cho biết.

Phát hiện này cho thấy hơi từ Li2O có thể xuyên qua vật liệu tiền chất, đẩy nhanh quá trình hình thành tinh thể đơn. Xiao giải thích, hơi nước có thể thấm vào mọi nơi, các lỗ chân lông hoặc bề mặt của tiền chất khác và phản ứng ngay lập tức. Các tinh thể đơn lẻ hình thành nhanh hơn nhiều khi có sự hiện diện của hơi nước đó.

Một bước tiến tới sản xuất bền vững

Ý nghĩa của khám phá này vượt xa các vật liệu mới cho pin mới. Xiao và nhóm của cô cũng áp dụng quy trình thăng hoa để biến đổi các tinh thể đa tinh thể thải thành tinh thể đơn. Họ có thể tái chế các vật liệu này thành tinh thể hiệu suất cao bằng cách trộn và nung nóng chúng. 

“Chúng tôi có thể nhanh chóng 'làm lại' thành các tinh thể đơn hiệu suất cao bằng thành phần muối này”, Xiao cho biết. Quá trình này có thể đơn giản hóa đáng kể việc tái chế vật liệu pin và giảm thiểu chất thải trong sản xuất.

Vật liệu tinh thể đơn mới hoạt động tốt trong quá trình thử nghiệm, chịu được tới 1.000 chu kỳ sạc/xả, cho thấy tiềm năng sử dụng lâu dài của chúng trong pin thương mại.

Nguồn: vietq.vn