Một nhóm nghiên cứu tại Nhật Bản đã tạo ra một loại pin lithium-ion (LIB) bán rắn chống cháy, khắc phục những hạn chế của các loại pin truyền thống. Loại pin này có các điện cực silicon và NCM811, sử dụng chất điện phân không cháy để cải thiện khả năng tương thích và hiệu suất.

Được phát triển bởi các nhà khoa học từ Đại học Doshisha và Tập đoàn TDK, công nghệ này kết hợp chất điện phân lỏng và rắn để nâng cao tính an toàn và độ bền. Thông thường, việc tăng mật độ năng lượng của vật liệu điện cực dương và âm sẽ làm giảm hiệu suất chu kỳ và an toàn, nhưng phát minh này mang lại giải pháp cân bằng.

Theo nhóm nghiên cứu, thiết kế này cung cấp một giải pháp an toàn và bền vững hơn so với các loại pin hoàn toàn rắn, đồng thời vẫn duy trì mật độ năng lượng cao.

“Tính an toàn và hiệu suất sạc/xả được cải thiện đã chứng minh tính khả thi của pin bán rắn như một công nghệ gần tương lai,” nhóm nghiên cứu nhận định trong phần tóm tắt nghiên cứu.

Bề mặt tiếp xúc pin ổn định

Pin LIB liên tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường và hỗ trợ công nghệ bền vững. Việc cải thiện an toàn, độ tin cậy, mật độ năng lượng, khả năng tái chế và tính tương thích với môi trường vẫn là những ưu tiên quan trọng. Mặc dù các chất điện phân hữu cơ cho phép pin LIB hoạt động ở điện áp cao, chúng đòi hỏi các biện pháp an toàn mạnh mẽ. Chất điện phân rắn mang đến một giải pháp an toàn hơn, thúc đẩy sự quan tâm đến pin thể rắn hoàn toàn.

Tuy nhiên, pin rắn gặp khó khăn trong việc duy trì bề mặt tiếp xúc rắn – rắn do sự giãn nở và co lại của điện cực trong quá trình sạc/xả. Để giải quyết vấn đề này, cần có các vật liệu “liên giao diện” mang lại tính đàn hồi, không cháy và độ dẫn ion cao.

Hiệu suất tiên tiến của pin LIB

Thiết kế của nhóm bao gồm điện cực âm silicon (Si) và điện cực dương LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) — cả hai đều được coi là vật liệu thế hệ tiếp theo cho pin LIB.

Một tấm gốm thủy tinh dẫn ion lithium rắn (LICGCTM) từ OHARA được sử dụng để tách các điện cực này. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các dung dịch chất điện phân không cháy, gần như bão hòa, đặc biệt cho từng loại điện cực nhằm cải thiện khả năng tương thích và hiệu suất.

Các dung dịch này sử dụng tris (2,2,2-trifluoromethyl) phosphate và methyl 2,2,2-trifluoromethyl carbonate vì chúng tương thích với giao diện chất điện phân rắn và các điện cực.

Các tế bào pin bán rắn dạng túi dung lượng 30 mAh đạt hiệu suất điện hóa vượt trội, ổn định nhiệt và dẫn ion tốt.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đo nhiệt gia tốc (ARC), thử nghiệm sạc-xả và phân tích trở kháng điện hóa để đánh giá độ ổn định nhiệt và hiệu suất điện hóa của pin LIB bán rắn này.

Kết quả cho thấy pin có khả năng sạc/xả cao, hiệu suất chu kỳ mạnh và sự thay đổi trở kháng bên trong không đáng kể. Ngay cả ở nhiệt độ cao khoảng 150°C, cấu trúc Si-LICGC-NCM811 với các dung dịch chất điện phân tương ứng vẫn thể hiện sự ổn định nhiệt tốt và ít sinh nhiệt từ phản ứng phụ.

“Pin LIB mới này có tiềm năng thúc đẩy sự phát triển của các phương tiện điện thế hệ tiếp theo và các thiết bị không dây như máy bay không người lái. Ứng dụng rộng rãi của nó không chỉ cải thiện sự tiện lợi cho người dùng mà còn thúc đẩy tăng trưởng kinh tế bền vững,” nhóm nghiên cứu khẳng định trong một tuyên bố.