Thiết kế pin lithium-ion mới gia tăng dung lượng lưu trữ và cải thiện hiệu suất sạc

Pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho phần lớn công nghệ hiện đại như điện thoại thông minh, thiết bị đeo hay xe điện. Than chì, vật liệu cực dương được sử dụng phổ biến nhất, ổn định nhưng bị hạn chế về lượng năng lượng có thể lưu trữ. Mặt khác, silicon cung cấp dung lượng lớn hơn nhiều, nhưng nó giãn nở trong quá trình sạc, khiến nó bị nứt và xuống cấp theo thời gian.

Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu ở tại Viện Công nghệ Tiên tiến (ATI) thuộc Đại học Surrey (Anh) đã phát triển một cấu trúc "Silicon-Ống nano carbon tích hợp theo chiều dọc" (VISiCNT) mới. Thiết kế này tạo ra những "rừng" dày đặc các ống nano carbon trực tiếp lên lá đồng và phủ lên chúng một lớp silicon mỏng, tạo ra một khung dẫn điện linh hoạt có khả năng hấp thụ sự giãn nở trong khi vẫn duy trì hiệu suất. Anode thu được có thể lưu trữ một lượng năng lượng rất lớn so với trọng lượng. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nó đã lưu trữ hơn 3500 mAh/g - gần bằng mức tối đa có thể đối với silicon và cao hơn nhiều so với than chì (370 mAh/g) được sử dụng trong các loại pin hiện nay. Nó cũng cho thấy sự ổn định và hiệu suất được cải thiện qua nhiều chu kỳ sạc.

Theo TS. Muhammad Ahmad - tác giả chính của nghiên cứu, thiết kế VISiCNT cung cấp một lộ trình thực tiễn để khai thác khả năng lưu trữ khổng lồ của silicon mà không làm giảm tuổi thọ chu kỳ sạc/xả. Đây là một bước đột phá rất cần thiết, mang lại dung lượng rất cao, sạc nhanh và độ bền lâu dài, đồng thời đưa đến gần hơn với những loại pin có thể cung cấp năng lượng cho xe điện và các thiết bị hàng ngày trong thời gian dài hơn nhiều chỉ với một lần sạc.

Một lợi thế quan trọng của phương pháp mới này là các ống nano carbon được cấy trực tiếp trên lá đồng (vật liệu đã được sử dụng trong pin thương mại) và điều chỉnh lớp silicon để đạt được độ ổn định. Điều này có nghĩa là sẽ dễ dàng tích hợp công nghệ này vào các dây chuyền sản xuất pin quy mô công nghiệp hiện có, với ít sự gián đoạn.

Công nghệ mới có tiềm năng rõ ràng không chỉ đối với xe điện, mà còn đối với lưu trữ năng lượng lưới điện và pin nhỏ hơn được sử dụng trong vi điện tử. Khi nhu cầu lưu trữ năng lượng tăng lên, pin sẽ cần phải lưu trữ nhiều năng lượng hơn, sạc nhanh hơn và có tuổi thọ cao hơn để hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang Net Zero.

Hoàng Kim - Theo https://techxplore.com/