Nghiên cứu mới: Pin kim loại lithium có thể được 'hồi sinh' sau khi cạn kiệt
Chúng tôi đã trao đổi với Tiến sĩ Yi Cui của Stanford về nghiên cứu mới nhất của ông về việc "đảo ngược" quá trình thoái hóa trong pin lithium-kim loại.
Mỗi cell pin riêng lẻ đều nhỏ và dường như không đáng kể. Tuy nhiên, khi hàng trăm cell pin này được kết nối nối tiếp và song song, chúng tạo thành thành phần chính của hệ thống truyền động xe điện. Đó là lý do tại sao việc tìm ra một loại hóa chất pin tối đa hóa mật độ năng lượng và tuổi thọ là điều cần thiết để cung cấp năng lượng cho xe điện và xe nâng điện trong tương lai. Một hóa chất tiềm năng cho thế hệ tiếp theo là kim loại lithium nhờ đặc tính chứa nhiều năng lượng của nó. Viện Năng lượng Precourt của Đại học Stanford gần đây đã phát hiện ra rằng pin kim loại lithium cũng thể hiện một đặc tính thú vị: dung lượng bị mất do quá trình thoái hóa pin lithium có thể được phục hồi.
Pin kim loại Lithium là gì?
Pin lithium-metal tương tự như pin lithium-ion đang được sử dụng cho điện thoại thông minh và xe điện ngày nay, mặc dù có một điểm khác biệt đáng chú ý. Trong pin lithium-ion, cực âm được làm bằng lithium-oxide xốp, và cực dương được làm bằng than chì. Pin lithium-metal vẫn giữ nguyên cực âm lithium-oxide nhưng thay thế cực dương than chì bằng cực dương làm bằng lithium mạ điện. Việc sử dụng cực dương lithium mạ điện giúp tăng đáng kể khả năng lưu trữ điện tích và có tiềm năng tăng gấp đôi phạm vi hoạt động của xe điện — "ví dụ, 600 dặm mỗi lần sạc so với 300 dặm", nghiên cứu sinh tiến sĩ Philaphon Sayavong viết.
Nhưng có một vấn đề: pin lithium kim loại suy giảm dung lượng nhanh hơn nhiều so với pin lithium-ion. Khi pin trải qua các chu kỳ sạc, các mảnh kim loại lithium mạ điện có thể bị tách ra khỏi cực dương. Đồng thời, một ma trận giao diện điện phân rắn (SEI) hình thành khi pin xả. Ma trận SEI hình thành tại nơi cực dương kim loại lithium và chất điện phân gặp nhau. Chất điện phân, có thể ở dạng lỏng hoặc rắn trong pin lithium kim loại, chứa bộ phận phân tách, giúp ngăn cực âm và cực dương tiếp xúc với nhau nhưng vẫn cho phép các electron chạy qua.
Khi kim loại lithium bị tách ra, nó có thể bị mắc kẹt bởi ma trận SEI mới hình thành, trở thành một dendrite. Khi bị mắc kẹt, nó không còn đóng góp vào chu kỳ sạc pin nữa. Trong trường hợp này, lithium dendrite được coi là "chết", và khả năng sạc của pin sẽ giảm; nói cách khác, pin bị suy giảm. Sự suy giảm pin thường được coi là không thể đảo ngược.
Có khả năng đảo ngược sự suy giảm của pin
Thư viện ảnh: Nghiên cứu pin lithium-kim loại Stanford
Nghiên cứu gần đây của Stanford chứng minh rằng người ta có thể khôi phục dung lượng bị giảm của pin lithium metal bằng các giao thức sạc phù hợp. Khi InsideEVs trao đổi với Tiến sĩ Yi Cui, giám đốc Viện Năng lượng Stanford Precourt, ông cho biết một trong những sinh viên của ông đã đề xuất để pin ở trạng thái xả hoàn toàn trong vài giờ. Lý do là nếu pin lithium metal bị suy giảm chất lượng khi được sạc đầy trong một thời gian dài, thì điều ngược lại có thể xảy ra nếu pin được xả hoàn toàn. "Sau đó, chúng tôi phát hiện ra rằng thay vì hỏng hóc, chúng tôi thực sự đã khôi phục được dung lượng, điều này khiến chúng tôi vô cùng bất ngờ", Tiến sĩ Yi Cui nói với InsideEVs.
Nghiên cứu của Cui cho thấy dung lượng bị suy giảm trong cell pin kim loại lithium có thể được phục hồi. Khi cell pin đã xả được để yên trong vài giờ, ma trận SEI sẽ bắt đầu hòa tan vào chất điện phân, giải phóng lithium bị mắc kẹt. Sau đó, khi pin được sạc, lithium có thể được gắn lại và một lần nữa đóng góp vào dung lượng sạc của pin. Theo nghiên cứu trên tạp chí Nature , kết quả là hiệu suất coloumbic đạt 98,2% ở các cell "hồi sinh" so với 96,9% ở các cell đối chứng. Điều này có nghĩa là các cell "hồi sinh" tích trữ nhiều năng lượng hơn nhóm đối chứng.
Ý nghĩa thực tế
Cui cho biết việc pin lithium-metal trở nên phổ biến vẫn còn là một chặng đường dài, nhưng ông muốn tiếp tục nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của mình trên các dự án quy mô lớn hơn - chẳng hạn như thử nghiệm với bộ pin hoàn chỉnh trên xe điện. Điều này sẽ cung cấp dữ liệu thực tế cần thiết để đưa loại pin này vào thị trường xe tiêu dùng. Nếu dự án cho kết quả tương tự trên đường như trong phòng thí nghiệm, chủ sở hữu xe điện lithium-metal trong tương lai sẽ cần lưu ý đến các đặc tính khác biệt của chúng. Ví dụ, chủ sở hữu có thể cần phải giảm mức pin xuống mức 0 mỗi tuần và để chúng nghỉ để có thể kéo dài tuổi thọ.
Rõ ràng là pin lithium kim loại trong xe điện có thể đòi hỏi người lái phải có thói quen lái xe khác, nhưng những thay đổi này có thể sẽ tốt hơn. Theo thời gian, việc thay đổi mô hình sạc pin này có thể đồng nghĩa với việc kéo dài tuổi thọ pin cho xe hơi. "Chúng tôi vẫn chưa biết trong tình huống thực tế, điều này sẽ cải thiện {tuổi thọ pin dài hạn} đến mức nào", Cui nói với InsideEVs. "Nhưng chúng tôi nghĩ rằng nó sẽ rất đáng kể."
