Phương pháp mới tăng hiệu suất và độ ổn định của pin lithium-ion cực âm giàu nickel

Theo trang Kỹ thuật Thú vị (Interesting Engineering), phương pháp của các nhà khoa học Hàn Quốc rất đơn giản, chỉ là rửa và phủ cực âm của pin bằng một dung dịch đặc biệt, được công bố trên tạp chí uy tín Năng lượng Tự nhiên (Nature Energy).

Pin được sử dụng để cung cấp năng lượng cho đại đa số các thiết bị và phương tiện hiện đại, từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay đến xe điện và robot. Một trong những thách thức chính mà các nhà phát triển pin phải luôn tìm giải pháp vượt qua là tăng cường mật độ năng lượng và độ bền của pin, đặc biệt đối với pin sử dụng vật liệu nhiều lớp giàu nickel (Ni) làm cực âm (cathode).

Ưu điểm của pin lithium-ion cực âm giàu nickel

Cực âm giàu Ni có ưu điểm là pin có công suất cao và giá thành thấp. Nhưng pin cực âm giàu nickel có một nhược điểm lớn, cực âm có xu hướng phân hủy nhanh chóng do khả năng phản ứng cao trong môi trường chất điện phân. Sự phân hủy này dẫn đến sự hình thành các hợp chất lithium không mong muốn trên bề mặt cực âm, gây ra các phản ứng phụ có hại với chất điện phân, cản trở vận chuyển điện tích bên trong pin, khiến công suất pin nhanh chóng suy giảm.

Rửa cực âm giàu nickel bằng ion cobalt

Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu thuộc đại học Hanyang, Seoul đã sáng tạo một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả, rửa cực âm của pin bằng dung dịch nước chứa ion cobalt (Co) hòa tan. Quá trình rửa này loại bỏ lượng lithium dư thừa khỏi bề mặt cực âm, tạo ra một lớp phủ giàu ion cobalt Co mỏng, đồng nhất, hoạt động như một lá chắn bảo vệ. Lớp phủ này ngăn cực âm tiếp xúc trực tiếp với chất điện phân, làm giảm các phản ứng phụ gây nên nguy cơ xuống cấp của pin.

Nghiên cứu sinh sau Tiến sĩ Hoon-Hee Ryu, Hyung-Woo Lim và các đồng nghiệp trong bài báo khoa học cho biết : “Sự không ổn định của vật liệu cực âm phân lớp giàu Ni trong pin lithium-ion có nguyên nhân từ khả năng phản ứng bề mặt không ổn định của vật liệu. Khả năng phản ứng này gây ra sự hình thành tạp chất lithium dư thừa trên bề mặt cực âm, hình thành các phản ứng phụ không mong muốn với chất điện phân. Chúng tôi đề xuất quy trình rửa cực âm bằng nước hòa tan Co để loại bỏ đồng thời lượng lithium dư thừa và tạo thành lớp phủ bảo vệ trên cực âm nhiều lớp Ni."

Các nhà nghiên cứu bổ sung thêm một lớp phủ flo lên trên cực âm đã được rửa sạch, tăng cường hơn nữa độ ổn định và an toàn của pin. Lớp phủ flo ngăn chặn sự phân hủy của muối điện phân và hình thành bọt khí, có thể gây phồng và nổ pin.

Nhóm nghiên cứu viết: "Một lớp phủ flo bổ sung trên cực âm đã rửa sẽ cản trở quá trình phân hủy muối, ngăn chặn các sản phẩm phụ kích hoạt những phản ứng phụ tự xúc tác trên bề mặt phân cách điện cực âm, nhờ đó ngăn chặn sự tạo ra bọt khí trong quá trình sạc và xả pin."

Các nhà khoa học Hàn Quốc đã thử nghiệm kỹ thuật rửa và phủ trên một số cực âm giàu Ni của pin, khiến hiệu suất và tuổi thọ của pin tăng cao. Những cực âm đã qua xử lý vẫn giữ được hơn 90% công suất ban đầu sau 500 chu kỳ, so với mức dưới 80% của những cực âm chưa xử lý. Pin có cực âm được rửa nước ion cobalt cho thấy mật độ năng lượng cao hơn và lượng bọt khí sinh ra thấp hơn so với cực âm thông thường.

Nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng, kỹ thuật này sẽ mở ra khả năng chế tạo pin có hiệu suất cao và đáng tin cậy hơn cho xe điện và các thiết bị điện tử kích thước lớn. Kết quả của nghiên cứu này sẽ là cơ sở để nhóm nhà khoa học tiếp tục tiến hành những nghiên cứu khác, khám phá những phương pháp mới nâng cao hiệu suất, tính ổn định và độ bền của pin cực âm giàu Ni.

Theo Interesting Engineering