Một nhóm nghiên cứu ở Mỹ đã có một bước tiến đáng kể với công nghệ này, khi đưa ra thiết kế cho một loại pin kim loại lithium có tuổi thọ cao mà vẫn hoạt động với số chu kỳ sạc kỷ lục.
Ý tưởng đằng sau những loại pin này là hoán đổi graphite được sử dụng trong thành phần cực dương thành kim loại lithium nguyên chất, có thể chứa gấp 10 lần năng lượng. Được một số nhà nghiên cứu mô tả là vật liệu trong mơ, kim loại lithium được coi là chìa khóa giúp chúng ta vượt qua nút thắt quan trọng trong việc lưu trữ năng lượng, nhưng các nhà khoa học đã phải vật lộn với vấn đề tuổi thọ với các phiên bản được phát triển cho đến nay nhanh chóng bị lỗi trong quá trình sử dụng.

Một trong những lý do dẫn đến sự thất bại đó là do các phản ứng phức tạp xảy ra xung quanh cực dương, ảnh hưởng đến một lớp màng mỏng bên trên nó được gọi là interphase điện phân rắn (SEI). Màng này kiểm soát các phân tử đi vào cực dương từ dung dịch điện phân, qua đó các điện tử di chuyển qua lại đến và đi từ điện cực khác của pin, được gọi là cực âm.

Theo cách này, vai trò gác cổng này giao cho SEI trách nhiệm ngăn chặn các phản ứng hóa học không mong muốn khi pin hoạt động theo chu kỳ, và đây là cơ chế được các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ nhắm tới trong một nghiên cứu mới. . Người ta thường nghĩ rằng nạp lượng liti vào cực dương là một cách để giải quyết vấn đề này, nhưng nhóm nghiên cứu đã tìm thấy thành công thông qua một cách tiếp cận khác.

Jie Xiao, một tác giả tương ứng của bài báo cho biết: “Nhiều người đã nghĩ rằng lithium dày hơn sẽ cho phép pin hoạt động lâu hơn. “Nhưng điều đó không phải lúc nào cũng đúng. Có độ dày được tối ưu hóa cho mỗi pin lithium-metal tùy thuộc vào thiết kế và năng lượng di động của nó ”.

Các nhà khoa học đã sử dụng các dải liti rất mỏng làm cơ sở cho cực dương của chúng, mỗi dải có chiều rộng chỉ 20 micron, mỏng hơn rất nhiều so với sợi tóc của con người. Cực dương này được chế tạo thành pin di động dạng túi có mật độ năng lượng 350 Wh / kg. Các loại pin lithium-ion tốt nhất đang được sử dụng hiện nay có mật độ từ 250 đến 300 Wh / kg, vì vậy mặc dù 350 Wh / kg không phải là chưa từng được nhắc đến trong giới nghiên cứu, nhưng nó sẽ là một cải tiến rõ rệt đối với các công nghệ hiện có.

Trong thử nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng pin vẫn giữ được 76% dung lượng sau 600 chu kỳ kỷ lục. Các nhà nghiên cứu tương tự đã chứng minh một pin lithium thử nghiệm có thể hoạt động trong 50 chu kỳ vào bốn năm trước, sau đó một pin có khả năng 200 chu kỳ vào hai năm trước. Phiên bản thiết lập kỷ lục hiện tại này là một bước tiến quan trọng khác và theo nhóm nghiên cứu, nó tồn tại lâu hơn bất kỳ phiên bản nào đang được phát triển trong các dự án nghiên cứu tương tự.

Nhóm nghiên cứu cho rằng sự thành công của thiết kế là do cách các dải mỏng hơn tạo điều kiện cho SEI tốt hơn và do đó tương tác tốt hơn giữa chất điện phân và cực dương, so với các dải dày hơn làm cản trở các phản ứng điện hóa quan trọng.

Sau khi giải quyết được một vấn đề quan trọng liên quan đến pin kim loại lithium, các tác giả hy vọng sẽ tiếp tục cải tiến công nghệ thông qua một tập đoàn gồm nhiều viện có tên là Battery500, đang nghiên cứu về mật độ năng lượng 500 Wh / kg.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Energy.