Bước tiến lớn trong công nghệ pin lithium - lưu huỳnh

Cả điện cực dương và điện cực âm trong pin lithium-lưu huỳnh đều có khả năng sạc cao gấp 10 lần so với vật liệu được sử dụng trong pin lithium-ion ngày nay, có nghĩa là pin này có thể sử dụng lâu hơn rất nhiều chỉ với một lần sạc. Lưu huỳnh lại là tài nguyên có sẵn như một sản phẩm phụ từ ngành công nghiệp dầu khí, do đó chi phí pin lithium-lưu huỳnh không đắt. Ngoài ra, lưu huỳnh cũng thân thiện với môi trường hơn các vật liệu oxit kim loại được sử dụng trong pin lithium-ion.

Tuy nhiên, điện cực lithium của pin lithium-lưu huỳnh nhanh chóng xuống cấp theo thời gian, giảm tuổi thọ pin và có thể gây cháy nổ.

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Cockrell thuộc Đại học Texas ở Austin, Mỹ, đã tìm ra cách ổn định điện cực lithium của pin lithium - lưu huỳnh, đưa loại pin này đến gần hơn khả năng thương mại. Kết quả nghiên cứu của nhóm, được công bố trong tuần này trên tạp chí Joule, cho thấy việc phủ một lớp vật liệu nhân tạo có chứa Tellurium lên trên điện cực lithium, có thể kéo dài tuổi thọ pin 4 lần.

Arumugam Manthiram, giáo sư kỹ thuật cơ khí và giám đốc Viện Vật liệu Texas cho biết: “Lưu huỳnh là nguyên liệu dồi dào và lành tính với môi trường và không gặp vấn đề gì về cung ứng ở Hoa Kỳ. Tuy nhiên pin lithium-lưu huỳnh gặp phải những thách thức về kỹ thuật. Chúng tôi đã giải quyết một trong số các vấn đề để giúp kéo dài vòng đời của những viên pin này."

Lithium là một nguyên tố phản ứng có xu hướng phá vỡ các nguyên tố khác xung quanh nó. Mỗi chu kỳ của pin lithium-sulphur (bao gồm một lần sạc đầy và xả hết pin) có thể gây ra rêu, cặn giống như kim loại trên điện cực kim loại lithium, điện cực âm của pin. Tình trạng này châm ngòi một phản ứng có thể dẫn đến sự suy giảm tuổi thọ pin.

Các cặn bẩn phân hủy chất điện phân - vốn làm nhiệm vụ chuyển các ion lithium qua lại. Chất điện phân bị phân hủy có thể giữ lại một số lithium, do đó điện cực lithium sẽ không còn cung cấp đủ năng lượng cần thiết trong thời gian dài. Phản ứng này cũng có thể khiến pin bị đoản mạch và có khả năng bắt lửa.

Pin lithium-lưu huỳnh trước đây (trên) dễ tạo ra cặn làm phân hủy chất điện phân. Pin mới (dưới) với lớp phủ (màu xanh dương) trên điện cực hạn chế hình thành cặn.

Trong nghiên cứu mới, một lớp vật liệu nhân tạo có chứa Tellurium được phủ trên điện cực lithium, bảo vệ chất điện phân không bị phân hủy và làm giảm sự hình thành các cấu trúc rêu và cặn. Amruth Bhargav, đồng tác giả với Sanjay Nanda cho biết, "Lớp ổn định phủ lên lithium được hình thành bằng một quy trình đơn giản và không cần quy trình xử lý trước hoặc phủ phức tạp hoặc tốn kém trên cực dương kim loại lithium”. 

Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời cho công nghệ này.

Manthiram cho biết thêm, phương pháp này có thể được áp dụng cho các loại pin sử dụng lithium và natri khác. Cũng theo Manthiram, pin lithium-lưu huỳnh hiện phù hợp nhất cho các thiết bị cần pin nhẹ và đòi hỏi phải hoạt động lâu dài trong một lần sạc và không yêu cầu số lượng chu kỳ sạc lớn, chẳng hạn như máy bay không người lái. Ngoài ra, loại pin này còn có tiềm năng trong việc kéo dài thời gian vận hành của xe điện và tăng cường khả năng lưu trữ, ứng dụng năng lượng tái tạo.

Nguồn: Khoa học & Phát triển