Một trong những thách thức rất lớn cho các loại pin lithium-ion thế hệ mới ứng dụng trong các xe điện là việc tìm ra các cách có thể gia tăng phạm vi dẫn động. Có một cách để có thể làm được điều này đó là tăng điện áp của các loại pin 4 vol hiện nay lên 5 vol. Tuy nhiên, vấn đề là điện áp cao hơn thường kèm theo mất dung lượng pin nhiều hơn 50% sau chỉ 100 chu kỳ xạc/xả.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã phát hiện ra một cách có thể khắc phục tình trạng mất dung lượng bằng cách phát triển một loại pin lithium-ion có thể duy trì nhiều hơn 90% công suất trên 100 chu kỳ bằng cách sử dụng một chất điện phân lithium cô đặc.

Kết quả nghiên cứu này đã được Jianhui Wang và các đồng nghiệp tại trường Đại học Tokyo, Đại học Kyoto, JST Presto, và Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia (Nhật Bản) công bố trên tạo chí Nature Communications mới đây.

“Loại pin 5 vol này sử dụng chất điện phân cô đặc có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với các loại pin 4 vol hiện nay. Kích thước và trọng lượng của loại pin 5 vol này cũng nhỏ hơn. Điều này góp phần vào việc tăng phạm vi dẫn động cho các phương tiện giao thông”, giáo sư Atsuo Yamada, đại học Tokyo, cho biết. “Một hộp pin cho các xe điện bao gồm nhiều mạch đấu nối tiếp nhiều tế bào pin nhằm có được một điện áp cao (ví dụ, vài trăm vol) đủ để có thể vận hành ô tô. Khi sử dụng các tế bào pin điện áp cao hơn sẽ giảm số lượng các tế bào mạch nối tiếp, do đó sẽ giảm được kích cỡ và trọng lượng của toàn bộ những hộp pin này. Điều này có thể mở rộng phạm vi dẫn động của các xe điện”, Giáo sư cho biết.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã khắc phục sự cân bằng chất điện phân này bằng cách trộn muối lithium khó phân hủy (LiN[SO2F]2 và các chất có liên quan) trong dung môi với độ đậm đặc cực cao với tỷ lệ là 1:1:1, do đó gần một nửa dung dịch là muối lithium. Trong khi dung dịch đậm đặc tỷ lệ 1:2 mất đi không đáng kể vẫn chịu tổn thất do sự phân hủy nhôm không mong muốn và tổn thất dung lượng cao. Do đó, cần kiểm soát được dung dịch siêu đậm đặc này tùy thuộc vào cấu trúc lỏng 3D khác thường của nó để có thể khắc phục sự cân bằng chất điện phân.

Dung dịch cực đậm đặc này được các nhà nghiên cứu mô tả giống như một mạng lưới cốt thép 3D, trái ngược hẳn với các dung dịch ít đậm đặc có các chất dung môi được thêm vào sẽ phân hủy cấu trúc dung dịch thành các phần nhỏ hơn. Ưu điểm của cấu trúc cốt thép này đó là các nguyên tử sạc và các ion trong dung dịch mang điện tích âm - đây là các ion và nguyên tử có liên kết đặc biệt và phân hủy các ion nhôm sạc mang điện tích dương trong các bộ gom điện. Thậm chí một vài các nguyên tử sạch và ion mang điện tích âm đều được kiểm soát để tránh liên kết với các ion lithium. Điều này rất khó để chúng có thể di chuyển xuyên qua cấu trúc dày đặc này để liên kết với các ion nhôm. Vì vậy có thể duy trì được dung lượng cao.

Một ưu điểm khác của chất điện phân mới này là nó được tăng cường độ an toàn do nó có độ ổn định nhiệt cao hơn so với các chất điện phân loãng. Độ bền tốt hơn là do nó chứa ít các chất dung môi hữu cơ hơn. Tuy nhiên, giá thành của nó hơi đắt nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy điều này không phải là một vấn đề lớn.

“Thách thức lớn nhất là chi phí vật liệu, vì muối Lin (SOZ2F)2 hiện có giá đắt hơn nhiều so với muối LiPF6”, Yamada nói. "Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt pin bằng muối Lin (SO2F)2 gần đây đang được khuyến khích. Do đó chúng tôi hy vọng rằng chi phí sẽ không là một vấn đề trong tương lai. Hơn nữa, chi phí điện chỉ ít hơn khoảng 7% tổng giá pin”.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có kế hoạch tăng cường hơn nữa hiệu suất pin và cố gắng để hiểu rõ hơn tính chất hóa học của các chất điện phân siêu đặc này.

“Chúng tôi đang cố gắng để phát triển các hệ thống chất điện phân mới để tăng thêm mật độ năng lượng và mật độ năng lượng của pin lithium-ion”, Yamada nói. "Hơn nữa, chúng tôi đang quan tâm đến đặc điểm khác thường khác nhau của chất điện phân siêu đặc này. Chúng tôi sẽ nghiên cứu nguồn gốc của các tính năng khác thường và xem xét các ứng dụng hấp dẫn của nó”.