Pin lithium metal tuy là dòng pin có thể khả năng dự trữ năng lượng cao gấp 10 lần so với pin lithium-ion hiện đang sử dụng cho các thiết bị điện thoại, máy tính xách tay và xe hơi nhưng rất khó thương mại hóa vì một lỗ hổng nghiêm trọng đó là khi pin sạc và xả, pin lithium tích tụ không đồng đều trên các điện cực. Sự tích tụ này làm giảm tuổi thọ của pin do đó khiến chúng trở nên không khả thi khi phát triển, và quan trọng hơn, có thể làm cho pin bị ngắt và bắt lửa gây cháy nổ.

Hiện nhóm nghiên cứu Trường Đại học Illinois, Chicago đã phát triển thành công một giải pháp giải quyết vấn đề này bằng việc chế tạo một tấm nano graphene-oxit, khi thực hiện đặt tấm nano này giữa hai điện cực của pin lithium-metal sẽ giúp đồng đều trên lớp mạ của pin lithium và cho phép pin hoạt động an toàn với tuổi thọ hàng trăm chu kỳ xả sạc.

Công trình nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Advanced Materialsal Materials.

Reza Shahbazian-Yassar, phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí và công nghiệp thuộc Trường Cao đẳng Kỹ thuật UIC và là tác giả của bài báo cho biết, nghiên cứu này đã chứng minh cho thấy các vật liệu 2D mà trong trường hợp này là graphene oxide có thể giúp điều chỉnh quá trình lắng đọng lithium mà theo cách có thể kéo dài tuổi thọ của pin lithium-metal.

Pin Lithium-metal rất hữu ích vì mật độ năng lượng của nó cao và trọng lượng tương đối nhẹ so với các loại pin thông thường. Tuy nhiên, trải qua nhiều chu kỳ xả pin, lithium tích lại không đều trên điện cực lithium metal của pin theo mô hình phân nhánh hoặc xuất hiện hiện tượng 'dendritic' và cuối cùng dẫn đến pin chết. Nếu dendrite này xuất hiện tăng trưởng nhờ dung dịch chất điện phân và tiếp xúc với điện cực khác thì pin có thể gặp phải một sự kiện thảm khốc nói cách khác sẽ gây ra một vụ nổ hoặc hỏa hoạn.

Trong các dòng pin lithium-ion, chất phân tách được đặt bên trong chất điện phân. Thông thường được làm từ một sợi polyme xốp hoặc sợi thuỷ tinh, chất phân tách này cho phép các ion lithium chảy qua trong khi vẫn chặn giữ lại các thành phần khác để ngăn chặn tình trạng ngắn điện, có thể dẫn đến hỏa hoạn.

Theo đó, Reza và các đồng nghiệp đã sử dụng một thiết bị phân tách trong pin lithium metal để điều chỉnh lưu lượng ion lithium nhằm kiểm soát tốc độ lắng đọng lithium và xem xét chúng có thể ngăn ngừa sự hình thành dendrite hay không. Họ bơm phủ chất phân tách sợi thủy tinh với graphene oxide, tạo ra một linh kiện mà được họ gọi là một tấm nano.

Bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử quét và các kỹ thuật tạo ảnh khác, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi tấm nano được sử dụng trong pin lithium-metal, hình thành màng phim lithium đồng nhất trên bề mặt của điện cực lithium, điều này giúp cải thiện chức năng của pin và làm cho pin an toàn hơn, Tara Foroozan, sinh viên cao học tại Trường Đại học Kỹ thuật UIC và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu này, cho biết.

Các mô phỏng phân tử, do một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas A&M thực hiện giả thiết rằng các ion lithium sẽ tạm thời liên kết với graphene oxide, và sau đó khuếch tán qua các vùng khuyết nano trên tấm nano. Điều này cản trở hoãn các ion lithium đi qua và do đó ngăn ngừa sự hình thành dithritic lắng đọng của lithium trên điện cực.

Kết quả tính toán mô hình pha trường (phase-field ) do Farzad Mashayek, giáo sư và người đứng đầu về kỹ thuật cơ khí và công nghiệp của Đại học Kỹ thuật UIC và là tác giả của bài báo, chỉ ra rằng graphene oxide cũng có thể hạn chế cơ học sự phát triển của dendrites trên pin lithium.

Shahbazian-Yassar cho biết: “Nhóm nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra rằng vật liệu graphene oxit 2D có thể cản trở sự hình thành dendrite bằng cách thay đổi tốc độ khuếch tán lithium-ion khi chúng đi qua các lớp graphene oxit. Phương pháp này có tiềm năng rất lớn cho ứng dụng công nghiệp và tiềm năng ứng dụng mở rộng”.
 

Theo NASATI