Trong xu hướng chuyển dịch trên toàn thế giới sang sử dụng xe điện, thời gian sạc pin vẫn còn là một trở ngại đáng kể khiến cho người tiêu dùng thấy băn khoăn để lựa chọn.
Chỉ cần thời gian uống xong một tách cà phê là xe đã được sạc đầy pin, đây là sự hình dung của nhiều người về tương lai của xe hơi điện. Nhưng các loại pin cho đến nay vẫn chưa đạt được mức sạc lý tưởng này.
Pin lithium-ion (pin Li-Ion) hiện nay cần từ 20-30 phút để sạc từ 20% đến 80%, nhưng việc sạc đầy 100% thường mất nhiều thời gian hơn, và việc sạc với tốc độ cao sẽ làm hao mòn tế bào pin theo thời gian.
Tuy nhiên, một cuộc nghiên cứu quốc tế mới của Đại học Kiel, Đức, cho thấy loại
pin Lithium-lưu huỳnh (pin Li-S) có thể sẽ sớm khắc phục những sự hạn chế này.
Nghiên cứu được cho công bố trên tạp chí
Advanced Energy Materials, do tiến sĩ Mozaffar Abdollahifar từ Đại học Kiel, Đức đứng ra điều phối, đã cho phác thảo cách thức mà loại
pin Li-S có thể vượt qua giới hạn về tốc độ và hiệu quả của các hệ thống pin Li-Ion hiện nay.
Dựa trên sự phân tích của hàng trăm cuộc nghiên cứu gần đây, các chuyên gia tại Đại học Kiel đã đưa ra lộ trình về cách thức mà
pin Li-S có thể cho phép thời gian sạc điện dưới 30 phút, một số có thể chỉ cần 12 phút, đồng thời mang lại mật độ năng lượng cao hơn và mức độ an toàn cũng được cải thiện tốt hơn.
Cốt lõi của thiết kế
pin Li-S là một cực âm (-) lưu huỳnh được ghép nối với một cực dương (+) lithium kim loại. Sự kết hợp này sẽ tạo ra công suất lý thuyết lên đến 2,600 watt-giờ trên một kg, cao gần gấp 10 lần mật độ năng lượng của
pin Li-Ion thông thường.
Đối với xe hơi điện, điều này đồng nghĩa với cự ly hoạt động sẽ dài hơn đáng kể chỉ với một lần sạc, một bước đi thiết yếu để loại bỏ nỗi lo về phạm vi hoạt động của xe cho người tiêu dùng.
Lưu huỳnh là một vật liệu an toàn và thân thiện với môi trường, với giá rẻ và dễ kiếm. Điều này khiến cho nó trở thành một sự lựa chọn hấp dẫn so với cobalt và nickel, vốn có chuỗi cung ứng khá mong manh.
(Ảnh minh họa)
Tuy nhiên, kỹ thuật sử dụng loại
pin Li-S cũng có những thách thức quan trọng. Lưu huỳnh không dẫn điện tốt, vì vậy cần được trộn với các vật liệu gốc carbon để giúp việc dẫn điện có hiệu quả nhanh và tốt hơn.
Những vật liệu này sẽ làm gia tăng trọng lượng và độ phức tạp cho việc thiết kế ra module. Hơn nữa, cathode lưu huỳnh bị giãn nở và co lại đến 80% thể tích trong các chu kỳ sạc, sẽ làm giảm độ ổn định về cơ học và rút ngắn tuổi thọ của pin.
Có lẽ vấn đề đáng chú ý nhất là
"hiệu ứng con thoi", khi các hợp chất polysulfide lithium trung gian di chuyển giữa cathode và anode, gây ra các phản ứng phụ không mong muốn và gây ra mất hiệu suất.
Vấn đề này không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn tạo ra sự mất ổn định trong chu kỳ sạc dài hạn.
Một thách thức lớn khác là sự hình thành dendrite trên anode kim loại lithium. Những cấu trúc hình kim nhỏ xíu này phát sinh ra trong các chu kỳ sạc lặp lại và có thể dẫn đến sự chạm mạch, và trong một số trường hợp, gây ra cháy pin.
Như tác giả chính của nghiên cứu, ông Jakob Offermann, đã giải thích, việc ngăn chặn sự phát sinh ra dendrite là điều cần thiết để bảo đảm vấn đề an toàn và độ tin cậy cho loại pin thế hệ tiếp theo, cho phép
pin Li-S được sạc nhanh mà vẫn duy trì tính cách an toàn và hiệu suất cao.
Trọng tâm chính là cải tiến thiết kế cathode bằng cách sử dụng các vật liệu mới nhất dựa trên carbon như graphene, ống nano và cấu trúc carbon hoạt tính xốp để cải thiện khả năng vận chuyển của electron và ion.
Những tiến bộ khác bao gồm việc sử dụng vật liệu gây ra xúc tác, chẳng hạn như oxit kim loại và chất xúc tác đơn nguyên tử, để gia tăng tốc độ phản ứng chuyển đổi lưu huỳnh và ức chế
hiệu ứng con thoi.
Các chuyên gia cũng đang khám phá các bộ tách được cải tiến và chất điện phân có nồng độ cao để chứa polysulfide và cho phép việc trao đổi ion nhanh chóng.
Việc ổn định anode lithium vẫn là sự ưu tiên hàng đầu. Lớp phủ bề mặt bảo vệ và cấu trúc lithium 3D được thiết kế đang được cho thử nghiệm để ức chế sự hình thành dendrite và kéo dài tuổi thọ của pin.
Song song đó, họ cũng đang cho thử nghiệm các dạng lưu huỳnh mới, chẳng hạn như gamma-lưu huỳnh đơn nghiêng, có thể cho phép phản ứng trạng thái rắn trực tiếp, bỏ qua hoàn toàn
"hiệu ứng con thoi".
Trí tuệ nhân tạo (AI) đang ngày càng được cho sử dụng rộng rãi để giúp tối ưu hóa bối cảnh vật liệu phức tạp này, dự đoán các kết hợp mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa mật độ năng lượng, độ ổn định và tốc độ sạc.
Theo tiến sĩ Abdollahifar, các nguyên mẫu ban đầu đã chứng minh hiệu suất đầy hứa hẹn, đạt mật độ năng lượng khoảng 2 mAh/cm2 ở tốc độ sạc trong thực tế.
"Phân tích của chúng tôi cho thấy thời gian sạc nhanh dưới 30 phút, và trong một số trường hợp là dưới 15 phút, là khả thi, đồng thời tăng công suất lên", ông này nói.
"Tuy nhiên, vẫn cần những biện pháp được cải tiến nhiều hơn nữa về trọng tải củavật liệu và cho kết hợp cấu trúc để cho loại pin Li-S thực sự vượt trội hơn so với các hệ thống Li-Ion".
(Theo Interesting Engineering, TechXplore)
