Công nghệ màng điện phân hiệu suất cao cho pin thế hệ mới

03/12/2020, 11:58

TNNN - Pin lithium-ion (Li-ion) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử di động, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng mạng lưới quy mô lớn. Nhưng pin lithium-ion (Li-ion) cũng có những nhược điểm đáng kể, đặc biệt là độ tin cậy trong sử dụng khi thiết bị điện tử di động ngày càng phát triển.

Tính an toàn và độ tin cậy của pin li-ion gây nghi vấn liên tục trong nhiều năm qua do chất điện phân hữu cơ thông thường có thể gây cháy - nổ trong nhiều trường hợp hoặc sụt điện bất thường.

Một giải pháp khả thi để giải quyết vấn đề an toàn là chế tạo màng mỏng chất điện phân trạng thái rắn (SSE) bằng gốm, có thể ngăn chặn hiện tượng mọc nhánh “dendrite” lithium gây ra đoản mạch và thoát nhiệt, đồng thời cung cấp mật độ năng lượng cao cho pin Li-ion thế hệ tiếp theo.

Nhưng hiện nay các màng mỏng SSE có độ dẫn điện ion thấp, nằm trong khoảng từ 10,8 - 10,5 S/cm do chất lượng vật liệu kém.

Nhóm nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật A. James Clark thuộc Đại học Maryland do GS Herbert Rabin Liangbing Hu dẫn đầu phát triển một phương pháp mới để in và thiêu kết nhiều loại màng mỏng SSE.

Nhóm nghiên cứu đặt tên cho phương pháp này là "in và gia nhiệt bức xạ" (PRH), ứng dụng kỹ thuật in 3D bằng dung dịch, sau đó thiêu kết nhanh.

Quy trình điển hình là huyền phù tiền chất được in trên chất nền, có thể điều chỉnh nồng độ hợp chất và độ dày.

Sau đó thiêu kết nhanh (~ 3 giây) ở nhiệt độ cao (~ 1500°C), đảm bảo lượng Li thất thoát tối thiểu và độ kết tinh cao, kết quả thu được là màng mỏng SSE chất lượng và hiệu suất cao.

Giải pháp này không chỉ dẫn đến cấu trúc vi mô dày đặc và đồng nhất cho màng mỏng SSE, mà còn đảm bảo độ dẫn ion vượt trội. Một điểm đặc biệt của công nghệ là quá trình chế tạo - từ tiền chất đến sản phẩm cuối cùng - chỉ mất ~ 5 phút, nhanh hơn ~ 100 lần so với các phương pháp thông thường.

Trong một cuộc thuyết minh về ý tưởng, nhóm nghiên cứu giới thiệu một màng mỏng SSE bằng garnet (đá thạch lựu) in 3D có độ dẫn ion cao đến 1mS/cm và độ ổn định chu kỳ phóng nạp tuyệt vời. Hơn thế nữa, phương pháp PRH cho phép nhiều cách thiết kế khác nhau như lắp ráp nhiều lớp phức hợp nhưng không bị nhiễm điện chéo trong quá trình tổng hợp.

Công nghệ mới có thể được mở rộng để chế tạo các loại màng mỏng gốm khác, mở ra cơ hội mới phát triển pin thể rắn an toàn và hiệu suất cao cùng những thiết bị màng mỏng khác.

Nguồn: Khoa học & Đời sống