Các nhà nghiên cứu của Đại học Colorado Boulder đã xác định được một cơ chế gây ra sự xuống cấp của pin, một bước đột phá có thể dẫn đến pin lithium-ion lâu dài và hiệu quả hơn cho xe điện và lưu trữ năng lượng tái tạo.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra cơ chế cơ bản đằng sau sự xuống cấp của pin, có thể cách mạng hóa thiết kế pin lithium-ion, nâng cao phạm vi lái xe và tuổi thọ của xe điện (EV) và thúc đẩy các giải pháp lưu trữ năng lượng sạch.
Nghiên cứu xác định cách các phân tử hydro can thiệp vào các ion lithium trong pin, cung cấp những hiểu biết sâu sắc có thể dẫn đến công nghệ pin bền vững và tiết kiệm chi phí hơn.
Khám phá cơ chế lão hóa pin
Pin mất dung lượng theo thời gian, đó là lý do tại sao điện thoại di động cũ hết điện nhanh hơn. Tuy nhiên, hiện tượng phổ biến này không được hiểu hoàn toàn.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, dẫn đầu bởi một kỹ sư tại Đại học Colorado Boulder, đã tiết lộ cơ chế cơ bản đằng sau sự xuống cấp pin như vậy. Khám phá của họ có thể giúp các nhà khoa học phát triển pin tốt hơn, cho phép xe điện chạy xa hơn và tồn tại lâu hơn, đồng thời thúc đẩy các công nghệ lưu trữ năng lượng sẽ đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch.
Kết quả được công bố ngày 12/9/2024 trên tạp chí Science.
Ý nghĩa đối với năng lượng tái tạo và xe điện
“Chúng tôi đang giúp thúc đẩy pin lithium-ion bằng cách tìm ra các quá trình cấp độ phân tử liên quan đến sự xuống cấp của chúng”, Michael Toney, tác giả tương ứng của bài báo và là giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học cho biết. “Có một pin tốt hơn là rất quan trọng trong việc chuyển cơ sở hạ tầng năng lượng của chúng ta từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng tái tạo hơn.”
Các kỹ sư đã làm việc trong nhiều năm để thiết kế pin lithium-ion – loại pin sạc phổ biến nhất – không có coban. Coban là một khoáng chất quý hiếm đắt tiền, và quá trình khai thác của nó có liên quan đến các mối quan tâm nghiêm trọng về môi trường và nhân quyền. Tại Cộng hòa Dân chủ Congo, nơi cung cấp hơn một nửa lượng coban của thế giới, nhiều thợ mỏ là trẻ em.
Cho đến nay, các nhà khoa học đã cố gắng sử dụng các nguyên tố khác như niken và magiê để thay thế coban trong pin lithium-ion. Nhưng những loại pin này thậm chí còn có tốc độ tự phóng điện cao hơn, đó là khi các phản ứng hóa học bên trong pin làm giảm năng lượng dự trữ và làm giảm dung lượng của nó theo thời gian. Do tự xả, hầu hết các pin EV có tuổi thọ từ bảy đến 10 năm trước khi chúng cần được thay thế.
Điều tra tự xả trong pin
Toney, cũng là thành viên của Viện Năng lượng Tái tạo và Bền vững, và nhóm của ông đã bắt đầu điều tra nguyên nhân tự xả. Trong pin lithium-ion điển hình, các ion lithium, mang điện tích, di chuyển từ một bên của pin, được gọi là cực dương, sang phía bên kia, được gọi là cực âm, thông qua một môi trường gọi là chất điện phân. Trong quá trình này, dòng chảy của các ion tích điện này tạo thành một dòng điện cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử. Sạc pin sẽ đảo ngược dòng chảy của các ion tích điện và đưa chúng trở lại cực dương.
Trước đây, các nhà khoa học nghĩ rằng pin tự phóng điện vì không phải tất cả các ion lithium đều quay trở lại cực dương khi sạc, làm giảm số lượng ion tích điện có sẵn để tạo thành dòng điện và cung cấp năng lượng.
Sử dụng Nguồn Photon Tiên tiến, một máy tia X mạnh mẽ, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ở Illinois, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các phân tử hydro từ chất điện phân của pin sẽ di chuyển đến cực âm và lấy các điểm mà các ion lithium thường liên kết. Do đó, các ion lithium có ít vị trí hơn để liên kết trên cực âm, làm suy yếu dòng điện và giảm dung lượng của pin.
Con đường phía trước cho pin xe điện
Giao thông vận tải là nguồn khí nhà kính lớn nhất được tạo ra ở Mỹ, chiếm 28% lượng khí thải của nước này vào năm 2021. Trong nỗ lực giảm lượng khí thải, nhiều nhà sản xuất ô tô đã cam kết chuyển từ phát triển xe xăng sang sản xuất nhiều EV hơn. Nhưng các nhà sản xuất EV phải đối mặt với một loạt thách thức, bao gồm phạm vi lái xe hạn chế, chi phí sản xuất cao hơn và tuổi thọ pin ngắn hơn so với xe thông thường. Tại thị trường Mỹ, một chiếc xe điện điển hình có thể chạy khoảng 250 dặm trong một lần sạc, khoảng 60% so với một chiếc xe xăng. Toney nói rằng nghiên cứu mới có tiềm năng giải quyết tất cả những vấn đề này.
“Tất cả người tiêu dùng đều muốn những chiếc xe có phạm vi lái lớn. Một số loại pin chứa coban thấp này có khả năng cung cấp phạm vi lái xe cao hơn, nhưng chúng ta cũng cần đảm bảo rằng chúng không bị vỡ trong một khoảng thời gian ngắn”, ông nói, lưu ý rằng việc giảm coban cũng có thể giảm chi phí và giải quyết các mối quan tâm về nhân quyền và công bằng năng lượng.
Các chiến lược để tăng tuổi thọ pin
Hiểu rõ hơn về cơ chế tự phóng điện, các kỹ sư có thể khám phá một số cách để ngăn chặn quá trình này, chẳng hạn như phủ cực âm bằng vật liệu đặc biệt để chặn các phân tử hydro hoặc sử dụng chất điện phân khác.
Toney nói: “Bây giờ chúng tôi đã hiểu nguyên nhân khiến pin xuống cấp, chúng tôi có thể thông báo cho cộng đồng hóa học pin về những gì cần được cải thiện khi thiết kế pin. “
Tham khảo: “Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes” 12 tháng 9 năm 2024, Science.
doi: 10.1126/science.adg4687