Vật liệu áo chống đạn giúp viên pin lithium-sulfur này tăng gấp năm lần phạm vi xe điện

Có thể viên pin lithium-sulfur sẽ là thế hệ pin tiếp theo mà chúng ta sử dụng trong các phương tiện điện của chúng ta - nếu các nhà khoa học có thể làm cho chúng tồn tại lâu hơn.

Và đó chính là điều mà một nhóm nghiên cứu tại Đại học Michigan đã cố gắng đạt được với việc phát triển viên pin có thể chịu được 1,000 chu kỳ và có thể làm tăng gấp năm lần phạm vi của xe điện.

Tiềm năng của viên pin lithium-sulfur là gì?

Viên pin lithium-sulfur (Li-S) có một loạt ưu điểm so với đối tác lithium-ion (Li-ion) của chúng: 

1. Mật độ năng lượng lý thuyết của một ông của viên pin lithium-sulfur là 2,510Wh/kg, so với 300Wh/kg của lithium-ion. Điều này có nghĩa là viên pin Li-S có thể lưu trữ từ hai đến năm lần năng lượng so với viên pin Li-ion, và lẽ ra, chúng có thể tồn tại lâu hơn trên một lần sạc duy nhất, mang lại phạm vi lớn hơn. 
2. Thay vì sử dụng cobalt đắt đỏ, dễ bị ảnh hưởng bởi chuỗi cung ứng toàn cầu mong manh, chúng sử dụng lươn, một nguyên tố rẻ hơn và là nguyên tố thứ chín phổ biến nhất trên Trái Đất.

Vậy tại sao vẫn chưa tiến triển được?

Chà, vấn đề chính là viên pin Li-S không thể sạc đủ số lần trước khi hỏng để làm cho chúng thương mại hóa được.

Và bạn đã đoán đúng, đó là do các sự cố hóa học nội bộ.

Trước hết, việc sạc pin Li-S tạo ra một lượng kết tủa hóa học tích tụ làm giảm chất lượng của ông và làm giảm tuổi thọ của nó.

Các tảo hóa học này tạo ra cấu trúc mảnh, giống như cây gọi là dendrites, nở trên anot lithium - điện cực âm bên trong pin. Kết quả là, chúng làm giảm chất lượng của anot và điện giải, và có thể gây ra một sự cố ngắn mạch và quá nhiệt. 

Vấn đề thứ hai ở đây là cái được biết đến với tên gọi là vấn đề “lithium polysulfides” 

Khi ion lithium được hấp thụ bởi điện cực lươn (anot sulfur), chúng phản ứng và tạo thành các hợp chất chứa lithium và sulfur: polysulfides.

Các hợp chất này không chỉ làm giảm chất lượng của điện cực lươn, nơi chúng phát triển, mà còn chảy về phía điện cực lithium và kết dính vào nó. Điều này gây ra sự cách ly của anot và làm giảm hiệu suất của pin.

Một màng để giải quyết tất cả

Để giải quyết những vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một màng sinh học được làm từ Kevlar tái chế - cùng loại vật liệu được sử dụng trong áo chống đạn.

Màng này cho phép nhóm nghiên cứu xây dựng một mạng lưới của nanofiber aramid, có thể ngăn chặn hiệu quả sự phát triển của dendrites.

Tuy nhiên, để ngăn chặn sự chảy của lithium polysulfides, nhóm nghiên cứu phải đảm bảo rằng màng có khả năng thực hiện một quá trình gọi là “ion chọn lọc.” Đơn giản nói, nhóm nghiên cứu cần đảm bảo rằng màng Kevlar sẽ cho phép ion lithium chảy giữa anot và cathode của pin, trong khi cũng chặn sự chảy của polysulfides.

Để làm điều đó, họ đã thêm một điện tích vào các lỗ của màng và tận dụng polysulfides chính. Khi lithium polysulfides bám vào màng nanofiber, các điện tích âm của chúng đẩy lùi ion lithium polysulfide tiếp tục hình thành ở điện cực lươn. Ion lithium có điện tích dương, tuy nhiên, có thể thoải mái chảy qua.

Một viên pin lithium-sulfur hứa hẹn

Theo nhà nghiên cứu chính Nicholas Kotov, thiết kế pin là “gần như hoàn hảo,” với khả năng và hiệu suất tiệm cận giới hạn lý thuyết. 

Hơn nữa, nó có thể chịu được nhiệt độ cực kỳ cao trong cuộc sống ô tô.

Cycle life thực tế của viên pin có thể ngắn hơn với sạc nhanh, khoảng 1,000 chu kỳ, theo Kotov, coi như là tuổi thọ mười năm.

Đại học Michigan đã đăng bằng sáng chế cho màng này và Kotov đang phát triển một công ty để đưa sản phẩm ra thị trường. Bạn có thể tìm thấy bài nghiên cứu trong Nature Communications.