Bối cảnh:
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Năng lượng sinh học và Quá trình Thanh Đảo, thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã đạt được một bước đột phá quan trọng trong pin lithium thể rắn, có khả năng hiện thực hóa giấc mơ về các thiết bị điện tử nhỏ hơn với thời lượng pin kéo dài. Sự tiến bộ này đã được công bố trên tạp chí học thuật quốc tế Nature Energy vào ngày 31 tháng 7.
Pin lithium-ion được sử dụng trong điện thoại di động, máy tính và các thiết bị điện tử khác chủ yếu lưu trữ và giải phóng năng lượng thông qua chất điện phân lỏng. Các nhà khoa học hiện đang khám phá một loại pin mới—pin lithium thể rắn. Chúng sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất lỏng, khiến chúng an toàn hơn đáng kể.
Mặc dù pin lithium thể rắn có vẻ lý tưởng, nhưng sự phát triển của chúng phải đối mặt với những thách thức. Chủ yếu, các tính chất hóa học và vật lý khác nhau của vật liệu bên trong cathode của pin gây khó khăn cho sự tương thích hoàn hảo, dẫn đến nhiều vấn đề về giao diện làm giảm mật độ năng lượng và tuổi thọ. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một vật liệu mới: vật liệu cathode đồng nhất (lithium titanium germanium phosphoselenide).
So với các vật liệu thông thường, hợp chất này mang lại những ưu điểm bao gồm độ dẫn điện cao, mật độ năng lượng cao và tuổi thọ kéo dài:
Độ dẫn điện cao:Vật liệu mới này thể hiện cả độ dẫn ion và điện cao, vượt trội hơn các vật liệu pin truyền thống (cathode oxide lớp) hơn 1000 lần. Điều này cho phép quá trình sạc và xả diễn ra suôn sẻ mà không cần dựa vào các chất phụ gia dẫn điện, giúp tăng cường đáng kể hiệu suất tổng thể của pin.
Dung lượng xả cao:Vật liệu mới thể hiện dung lượng xả cao 250 mAh trên mỗi gam, vượt trội hơn các vật liệu cathode niken cao hiện đang được sử dụng. Ở cùng trọng lượng hoặc thể tích, pin kết hợp vật liệu này có thể lưu trữ năng lượng điện lớn hơn. Điều này không chỉ cho phép hoạt động liên tục lâu hơn mà không cần sạc lại thường xuyên, do đó tăng cường độ bền, mà còn giảm kích thước pin, tạo điều kiện cho việc thiết kế các thiết bị nhỏ gọn hơn.
Thay đổi thể tích thấp:Trong chu kỳ sạc và xả, vật liệu mới thể hiện sự thay đổi thể tích chỉ 1,2%, thấp hơn đáng kể so với 50% được quan sát thấy ở các vật liệu cathode oxide lớp thông thường. Sự thay đổi thể tích tối thiểu này giúp duy trì sự ổn định cấu trúc, do đó kéo dài tuổi thọ hoạt động của pin.
Mật độ năng lượng cao:Pin lithium thể rắn sử dụng vật liệu mới này đạt mật độ năng lượng 390 Wh/kg, tăng 1,3 lần so với các pin lithium thể rắn chu kỳ dài đã được báo cáo trước đó.
Tuổi thọ kéo dài:Pin lithium thể rắn sử dụng vật liệu này đạt hơn 10.000 chu kỳ. Sau 5.000 chu kỳ sạc, pin vẫn giữ được 80% dung lượng ban đầu, cung cấp đủ năng lượng trong thời gian dài.
Nghiên cứu này cung cấp sự hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho việc phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng mật độ cao, tuổi thọ cao, cung cấp các nguồn năng lượng an toàn và bền bỉ cho các phương tiện năng lượng mới, lưới lưu trữ năng lượng và thiết bị biển sâu/không gian sâu. Nó có ý nghĩa quan trọng đối với việc thúc đẩy các hệ thống lưu trữ năng lượng mới.