Mỗi lần chúng ta sạc điện thoại thông minh hay cắm sạc cho xe điện, hàng tỷ ion lithium sẽ di chuyển bên trong pin để lưu trữ năng lượng.

Trong tương lai, những thiết bị này có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều nhờ pin thể rắn (solid-state battery) – công nghệ được kỳ vọng sẽ mang lại điện thoại có thời lượng pin dài hơn, hệ thống lưu trữ năng lượng an toàn hơn và xe điện có thể di chuyển quãng đường xa hơn nhiều chỉ sau một lần sạc.

Tuy nhiên, một trở ngại lớn vẫn khiến pin thể rắn chưa thể được thương mại hóa rộng rãi: những cấu trúc siêu nhỏ gọi là dendrite (tinh thể nhánh) có thể phá hủy pin ngay từ bên trong.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck về Vật liệu Bền vững (MPI-SusMat) đã xác định chính xác cách những khuyết tật cực nhỏ này dẫn đến sự hỏng hóc của pin.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature, mang đến cái nhìn mới về một trong những thách thức quan trọng nhất đối với thế hệ pin tương lai.

Vì sao pin thể rắn được kỳ vọng sẽ thay đổi ngành công nghiệp pin?

Khác với pin lithium-ion truyền thống sử dụng chất điện phân dạng lỏng để vận chuyển ion giữa hai điện cực, pin thể rắn sử dụng chất điện phân gốm ở trạng thái rắn.

Việc loại bỏ chất điện phân lỏng mang lại nhiều ưu điểm.

Pin thể rắn có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một thể tích, giảm đáng kể nguy cơ cháy nổ và có tuổi thọ dài hơn.

Chính vì vậy, công nghệ này đang thu hút sự quan tâm rất lớn từ các hãng sản xuất ô tô và thiết bị điện tử.

Về lý thuyết, điện thoại thông minh có thể hoạt động nhiều ngày mới cần sạc lại, trong khi xe điện có thể đạt quãng đường di chuyển gấp khoảng ba lần so với các mẫu xe hiện nay.

Vì sao lithium mềm lại có thể làm nứt gốm cứng?

Dù sở hữu nhiều ưu điểm, pin thể rắn vẫn tồn tại một điểm yếu khó khắc phục.

Trong quá trình sạc, từ cực âm bằng lithium có thể mọc ra các dendrite – những cấu trúc mảnh, dài như những chiếc kim.

Các dendrite này phát triển xuyên qua chất điện phân rắn. Nếu chúng chạm tới điện cực đối diện, chúng sẽ tạo thành một đường dẫn điện bên trong pin, gây đoản mạch và khiến pin nhanh chóng mất khả năng hoạt động.

Điều này dẫn đến một câu hỏi khiến các nhà khoa học băn khoăn trong nhiều năm:

Làm thế nào một vật liệu mềm như lithium lại có thể làm nứt một vật liệu gốm vốn rất cứng?

Có hai giả thuyết được đưa ra.

Giả thuyết thứ nhất cho rằng áp suất bên trong dendrite tăng dần trong quá trình phát triển và cuối cùng làm vỡ lớp gốm.

Giả thuyết thứ hai cho rằng electron rò rỉ dọc theo ranh giới giữa các hạt tinh thể trong chất điện phân, kích thích hình thành các nhân lithium mới ở phía trước đầu dendrite. Những nhân này sau đó kết nối với nhau, tạo thành đường dẫn xuyên qua chất điện phân.

Cơ chế gây hỏng pin cuối cùng đã được làm sáng tỏ

Để xác định giả thuyết nào là đúng, nhóm nghiên cứu xây dựng một hệ thống thí nghiệm đặc biệt cho phép quan sát vật liệu trong môi trường chân không và ở nhiệt độ siêu thấp.

Những điều kiện này giúp ngăn vật liệu bị ôxy hóa hoặc nhiễm hơi nước, đồng thời giảm thiểu các ảnh hưởng không mong muốn trong quá trình quan sát bằng kính hiển vi điện tử.

Các nhà khoa học tập trung nghiên cứu những dendrite lithium nằm bên trong các vết nứt của chất điện phân gốm.

Kết quả đo cho thấy không có dấu hiệu lithium tích tụ phía trước đầu dendrite đang phát triển, điều này làm suy yếu giả thuyết thứ hai.

Thay vào đó, toàn bộ bằng chứng đều chỉ về giả thuyết đầu tiên: áp suất tích tụ bên trong chính dendrite là nguyên nhân gây ra sự phá hủy.

Kết quả này còn được xác nhận bằng các mô phỏng phase field cùng với phép đo nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược (Electron Backscatter Diffraction – EBSD).

Mở đường cho thế hệ pin thể rắn bền và an toàn hơn

Sau khi hiểu rõ cơ chế hình thành các vết nứt do dendrite gây ra, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm những giải pháp để ngăn chặn hiện tượng này.

Một số hướng đi đầy hứa hẹn bao gồm: Phát triển chất điện phân rắn có khả năng chống nứt tốt hơn. Thiết kế các khoảng rỗng siêu nhỏ trong vật liệu nhằm chuyển hướng sự phát triển của dendrite và hạn chế các vết nứt lan rộng. Phủ các lớp bảo vệ lên điện cực lithium để làm giảm sự hình thành dendrite ngay từ đầu.

Theo các nhà nghiên cứu, công trình này cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu rõ các cơ chế vật lý và hóa học diễn ra ở cấp độ vật liệu.

Chỉ khi nắm bắt được những quá trình cơ bản đó, các nhà khoa học mới có thể phát triển những công nghệ pin đủ độ tin cậy để ứng dụng rộng rãi trong thực tế, từ điện thoại thông minh đến xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.