Lithium metal – tương lai của pin điện

Như chúng ta cùng biết, thông thường ta sử dụng than chì để làm cực dương trong các viên pin thể rắn, tuy nhiên than chì có nhược điểm là nặng và kích thước lớn. Để giảm trọng lượng và kích thước viên pin, người ta thay thế than chì bằng kim loại, các viên pin sử dụng lithium-lưu huỳnh và pin lithium-oxy, nằm trong số những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn. Khi thay thế than chì, pin sẽ nhẹ hơn đáng kể, song song với đó ta cùng sử dụng vật liệu dung lượng cao cho cực âm, giúp mật độ năng lượng sẽ cao gấp ba đến năm lần.

Hiện nay, pin lithium-ion đang được coi là có hiệu suất cao nhất, ứng dụng rộng rãi trong đời sống, có mặt trong các thiết bị từ điện thoại di động cho tới xe hơi. Pin kim loại lithium có hiệu suất cao hơn hẳn và đồng thời an toàn hơn so với các thế hệ pin Lithium-ion mới nhất hiện nay. Thế hệ pin mới nếu được ứng dùng sẽ không chỉ có dung lượng cao hơn mà còn giúp giảm chi phí, tiết kiệm nguyên liệu và thân thiện hơn với môi trường.

Lithium là kim loại nhẹ, dung lượng cao nhưng trong quá trình sạc và xả nó dễ bị biến dạng. Đây là cản trở lớn nhất và phải chế ngự được nó thì pin kim loại lithium mới có thể được ứng dụng rộng rãi. Mới đây, nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, đã thành công trong việc quan sát cách hoạt động của kim loại lithium trong tế bào khi nó sạc và phóng điện. Các hình ảnh 3D đã tiết lộ hoạt động trong thời gian thực, qua các giai đoạn phóng và nạp, của các tế bào kim loại lithium.

Thay vì được sắp xếp phẳng và mịn như khi mới “ra lò”, các tinh thể kim loại lithium sau các chu trình phóng và nạp điện sẽ có xu hướng tạo thành các vi cấu trúc giống như rêu hoặc đuôi gai làm giảm dung lượng, thậm chí các cấu trúc giống dài như cây kim dài và các phần lắng đọng của lithium còn có thể bị cô lập không hoạt động. Dạng đuôi gai cũng có nguy cơ chạm tới điện cực khác của pin gây đoản mạch. Việc quan sát được quá trình biến dạng của lithium sẽ giúp các nhà khoa học can thiệp để giảm thiểu quá trình biến dạng không mong muốn.

“Để có thể sử dụng công nghệ này trong thế hệ pin tiếp theo, chúng ta cần xem một tế bào bị ảnh hưởng như thế nào bởi các yếu tố như mật độ dòng điện, sự lựa chọn chất điện phân và số chu kỳ. Bây giờ chúng tôi có một công cụ để làm như vậy” nhà nghiên cứu Matthew Sadd của Chalmers cho biết. Việ quan sát “tận mắt” thay đổi cấu trúc kim loại theo thời gian thực sẽ mở ra khả năng tối ưu hóa pin kim loại lithium. Một khi có thể hiểu được chính xác điều gì xảy ra với tinh thể lithium của tế bào pin điện trong quá trình hoạt động, chúng ta có thể tối ưu hóa cấu trúc của pin kim loại Lithium.