Bước đột phá có thể thay đổi cách sạc pin

Các nhà khoa học đã đạt bước đột phá có thể thay đổi cách sạc pin, giúp người dùng tiết kiệm đáng kể thời gian và bảo đảm an toàn.

Theo báo cáo từ Viện NanoSystems California của trường, các nhà khoa học tại Đại học California, Los Angeles (UCLA) đã phát triển một phương pháp chụp ảnh mới, cho phép quan sát pin lithium-metal trong quá trình sạc, từ đó hé lộ chính xác cách chúng mất năng lượng theo thời gian.

Phương pháp này có thể đẩy nhanh quá trình phát triển pin lithium-metal, loại pin chứa gấp đôi năng lượng so với pin lithium-ion hiện tại nhưng có tuổi thọ ngắn hơn đáng kể.

Kỹ thuật mới, được gọi là kính hiển vi điện tử cryogenic (eCryoEM), sử dụng nitơ lỏng để làm đông lạnh pin ngay giữa quá trình sạc. Nhờ đó, các nhà khoa học có thể quan sát các phản ứng trong pin ở kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng.

Giao diện tích điện giữa chất lỏng và chất rắn hỗ trợ nhiều hiện tượng khác nhau, từ sự truyền ion trong quá trình hoạt động của pin đến các điện thế hoạt động cho phép giao tiếp sinh học. Tuy nhiên, các công cụ thông thường không quan sát được động lực học ở cấp độ nano của giao diện bán bền này. Ở đây, các nhà khoa học tận dụng kính hiển vi điện tử đông lạnh tích điện, một kỹ thuật đóng băng nhanh chóng và bẫy động học các trạng thái động, không cân bằng này trong quá trình hoạt động của pin để mô tả đặc tính ở cấp độ nano.

Nhóm nghiên cứu tại UCLA đã dành 4 năm để phát triển phương pháp này. Họ tạo ra những viên pin cực mỏng có thể được làm đông lạnh trong vài mili giây trong lúc sạc. Bằng cách đông lạnh pin ở các giai đoạn sạc khác nhau, họ xây dựng một chuỗi hình ảnh stop-motion, cho thấy lớp ăn mòn trong pin hình thành như thế nào, đồng thời phát hiện những chi tiết mà các phương pháp cũ không thể thấy được.

Các nhà khoa học đã so sánh các loại hóa học pin khác nhau để tìm ra yếu tố giới hạn tuổi thọ pin. Họ phát hiện ra rằng sự khác biệt chính không nằm ở tốc độ di chuyển của electron qua lớp ăn mòn, mà ở cách chất điện giải lỏng phản ứng với lithium metal. Ở những loại pin tốt hơn, tốc độ phản ứng trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành lớp ăn mòn chậm hơn gấp ba lần.

"Kết quả cho thấy chúng ta nên tập trung vào việc làm cho chất điện giải lỏng trở nên trơ nhất có thể", tác giả chính của nghiên cứu, Yuzhang Li, cho biết. Gợi ý của chuyên gia Li cung cấp một hướng đi rõ ràng cho các nhà sản xuất pin để tạo ra những viên pin tốt hơn.

Phương pháp chụp ảnh này cũng mở ra nhiều cơ hội trong các lĩnh vực khác. Nhóm của ông Li đang nghiên cứu cách áp dụng phương pháp này cho siêu tụ điện và chuyển đổi khí carbon dioxide. Họ cũng sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu tế bào não, điều có thể dẫn đến các phương pháp điều trị mới cho chấn thương và rối loạn não.

Hiện nay, Trung Quốc sản xuất gần 80% pin lithium-ion trên thế giới và nghiên cứu này của Mỹ có thể giúp Hoa Kỳ giành lợi thế trong cuộc đua công nghệ pin thế hệ tiếp theo. Mặc dù pin lithium-metal chưa được bán trên thị trường, nhưng phát hiện này đưa chúng tiến gần hơn đến việc thương mại hóa.

Nếu công việc nghiên cứu tiếp tục tiến triển với tốc độ này, bạn có thể sẽ thấy những viên pin bền lâu hơn trong điện thoại hoặc xe điện của mình trong vòng năm năm tới.