Hàn siêu âm giúp pin thể rắn lithium kim loại sản xuất nhanh hơn

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Tohoku (WPI-AIMR) (Nhật Bản) do PGS. Eric Jianfeng Cheng đã nghiên cứu ra giải pháp đột phá cho thách thức lâu nay trong chế tạo pin thể rắn lithium kim loại là làm thế nào để liên kết chặt chẽ kim loại lithium với chất điện phân gốm oxit kiểu garnet. Kết quả cho thấy, kỹ thuật hàn siêu âm có thể tạo ra giao diện lithium - garnet chỉ trong vài giây ở nhiệt độ phòng, mở ra triển vọng sản xuất pin thể rắn nhanh hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn.

Pin lithium kim loại thể rắn được xem là công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo, hứa hẹn an toàn hơn và mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium - ion truyền thống. Trong số các chất điện phân rắn, oxit kiểu garnet Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) nổi bật nhờ độ dẫn ion cao và ổn định hóa học. Tuy nhiên, việc tạo tiếp xúc vật lý chặt chẽ giữa lithium và LLZO rất khó khăn. Khi tiếp xúc với không khí, cả hai bề mặt dễ hình thành lớp Li₂CO₃ cách điện, ngăn cản quá trình thấm ướt và cản trở vận chuyển ion.

Nghiên cứu cho thấy chỉ với USW, điện trở giao diện giảm xuống khoảng 225 Ω·cm². Khi bổ sung thêm một lớp vàng mỏng bằng phương pháp phún xạ, điện trở tiếp tục giảm mạnh xuống khoảng 1,5 Ω·cm² - một trong những giá trị thấp nhất từng được báo cáo cho giao diện Li-LLZO ở nhiệt độ phòng. Thử nghiệm tế bào đối xứng cũng xác nhận tính khả thi thực tiễn của phương pháp này.

Chiến lược liên kết nhanh chóng ở nhiệt độ phòng này mở ra con đường sản xuất thân thiện và hiệu quả hơn cho pin thể rắn dựa trên oxit. Thay vì quy trình phức tạp, tốn kém và nhiều công đoạn, hàn siêu âm cho phép tạo giao diện lithium - garnet chỉ trong vài giây. Đây là bước tiến quan trọng hướng tới việc thương mại hóa pin thể rắn - loại pin hứa hẹn mang lại hiệu suất cao, độ an toàn vượt trội cho xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo và thiết bị di động.

PGS. Eric Jianfeng Cheng cho rằng việc áp dụng hàn siêu âm để liên kết trực tiếp lithium với LLZO là điều chưa từng có. Phát hiện này mở ra triển vọng mới cho công nghệ lưu trữ năng lượng thể rắn, đánh dấu một bước ngoặt trong hành trình phát triển pin thể rắn - công nghệ được kỳ vọng sẽ thay thế pin lithium - ion trong tương lai gần.

Như Huỳnh - Theo techxplore.com