Pin thể rắn tiềm năng lớn nhưng hay bị nứt vỡ: Các nhà khoa học đã tìm ra nguyên nhân

Pin thể rắn (Solid-state batteries) được coi là bước tiến lớn tiếp theo trong công nghệ lưu trữ năng lượng nhờ khả năng chứa nhiều năng lượng hơn và sạc nhanh hơn so với pin lithium-ion truyền thống. Tuy nhiên, một rào cản lớn khiến chúng chưa thể thương mại hóa rộng rãi là vấn đề nứt vỡ. Tin vui là các nhà nghiên cứu đã xác định được một nguyên nhân chính khiến loại pin này bị hỏng.

Một nhóm nghiên cứu tại Viện Max Planck về Vật liệu Bền vững ở Đức đã công bố phát hiện của mình trên tạp chí Nature, cho biết họ đã tìm ra cơ chế chính đằng sau việc nứt vỡ trong điện phân rắn (solid electrolytes) bằng gốm — thành phần phân biệt pin thể rắn với các thiết kế dùng điện phân lỏng hiện nay.

Tại sao pin thể rắn lại quan trọng?

Như đã đề cập, pin thể rắn thay thế điện phân lỏng bằng điện phân rắn, mang lại nhiều lợi ích tiềm năng. Mật độ năng lượng có thể cao hơn, pin có thể được làm nhỏ hơn và nhẹ hơn. Một số thiết kế cho phép sạc nhanh hơn và tuổi thọ hoạt động dài hơn so với pin lithium-ion thông thường. Ngoài ra, chúng được coi là an toàn hơn vì điện phân rắn ít dễ cháy hơn chất lỏng và không bị rò rỉ.

Tuy nhiên, chính thứ khiến chúng vượt trội — điện phân rắn — cũng là thứ khiến pin thể rắn dễ bị hỏng. Thường được làm từ vật liệu gốm, các điện phân này có thể phát triển các vết nứt vi mô. Lithi mạ từ âm cực kim loại có thể lấp đầy các vết nứt này khi nó phát triển xuyên qua vật liệu, hình thành các sợi dendrit bên trong điện phân. Nếu các sợi này tiếp tục lan rộng, chúng có thể làm mở rộng vết nứt và cuối cùng gây ngắn mạch cho pin.

Nguyên nhân cơ học: Như tia nước cắt đá

Nhóm Max Planck tin rằng họ đã xác định được điều gì thúc đẩy sự gãy vỡ do dendrit gây ra trong các mẫu điện phân garnet của họ, đồng thời đề xuất một số cách có thể để hạn chế thiệt hại trong các thiết kế pin thể rắn trong tương lai.

Có hai giả thuyết về cách dendrit làm vỡ điện phân: hoặc là ứng suất bên trong dendrit lithi làm gãy gốm, hoặc là rò rỉ electron tại ranh giới hạt thúc đẩy các hạt nhân lithi biệt lập sau đó kết nối với nhau gây ngắn mạch.

Bằng cách chuẩn bị một số mẫu vật chịu điều kiện chân không ở nhiệt độ cực thấp để loại bỏ ảnh hưởng của các lực bên ngoài, nhóm Planck cho biết họ đã tìm thấy bằng chứng cho thấy nứt vỡ do dendrit hoàn toàn liên quan đến ứng suất cơ học. Không chỉ không có sự làm giàu lithi phía trước đầu mút của các dendrit họ nghiên cứu (có nghĩa là lý thuyết rò rỉ electron bị loại bỏ), mà các phép đo ứng suất còn khiến lý thuyết hỏng hóc cơ học có vẻ khả thi.

"Kim loại lithi mềm có thể thâm nhập vào điện phân gốm cứng, giống như một tia nước liên tục xuyên qua đá," Yuwei Zhang, tác giả chính, cho biết trong một thông cáo báo chí. "Chúng tôi tính toán rằng ứng suất tĩnh trong dendrit dẫn đến gãy vỡ giòn của điện phân rắn vào cuối cùng."

Nhóm nghiên cứu cũng đề xuất một số giải pháp khả thi cho việc nứt vỡ điện phân: Đầu tiên, họ đề xuất tạo ra các điện phân rắn cứng hơn có thể chống chịu vết nứt. Nếu không được, lựa chọn thứ hai là để lại các khoảng trống vi mô trong điện phân để buộc dendrit phải đi theo con đường ngăn chặn việc nứt vỡ và ức chế sự phát triển. Hoặc đơn giản là phủ một lớp vật liệu lên âm cực lithi để ngăn chặn vết nứt hình thành.

Góc nhìn từ MIT: Yếu tố điện hóa

Câu trả lời của nhóm Planck cho một vấn đề đã làm đau đầu các chuyên gia pin trong nhiều thập kỷ chỉ xuất hiện vài tuần sau khi một nhóm từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cũng công bố nghiên cứu trên Nature cho biết họ phát hiện ra rằng áp lực và lực cơ học đơn thuần không phải là nguyên nhân làm điện phân gốm vỡ vụn: Có cả lý do điện hóa đằng sau sự cố này.

"Thông thường, bạn sẽ mong đợi rằng dendrit càng phát triển nhanh thì nó tạo ra càng nhiều áp lực," Yet-Ming Chiang, giáo sư khoa học vật liệu tại MIT và là tác giả cao cấp của nghiên cứu, nói về phát hiện của nhóm mình. "Thay vào đó, chúng tôi quan sát thấy điều ngược lại. Nó càng phát triển nhanh, áp lực xung quanh nó càng thấp, nghĩa là điện phân rắn đang bị gãy dưới mức ứng suất thấp hơn."

Theo ông Chiang, điều này có nghĩa là lực cơ học không phải là duy nhất phải chịu trách nhiệm, và nó cho thấy có sự giòn hóa đang xảy ra trong điện phân.

Bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua quét ở nhiệt độ cực thấp (cryogenic), nhóm MIT đã có thể nghiên cứu điện phân ở quy mô gần như nguyên tử. Họ cho biết bằng chứng cho thấy dòng ion chạy qua điện phân và gây ra sự giòn hóa, góp phần vào việc nứt vỡ.

Không chỉ có thành phần hóa học gây ra sự phân hủy điện phân theo quan điểm của nhóm MIT, mà họ còn nói rằng họ đã phát hiện ra dòng chảy tập trung của ion lithi ở đầu mút của các dendrit họ nghiên cứu — điều mà nhóm Planck nói họ không thấy mặc dù sử dụng cùng loại điện phân.

Tổng hợp và hướng đi tương lai

Điều đó không có nghĩa là nhóm MIT không đồng ý với các phát hiện của nhóm Planck. Tuy nhiên, Cole Fincher, ứng viên tiến sĩ và là tác giả chính của nhóm MIT, cho biết ông coi phát hiện của nhóm Planck là bổ sung cho nghiên cứu của mình.

"Trong công trình trước đó của chúng tôi trên Joule, chúng tôi đã chỉ ra rằng sự phát triển của dendrit là một quá trình gãy vỡ cơ học," Fincher giải thích. "Trong bài báo Nature này, chúng tôi cho thấy điện hóa làm suy yếu điện phân rắn và hỗ trợ quá trình gãy vỡ này."

Nói cách khác, hãy coi bài báo mới nhất của nhóm MIT là thêm bằng chứng chỉ ra những thiếu sót của thế hệ điện phân pin thể rắn hiện tại. Việc biết điều gì đang kìm hãm bước tiến trong công nghệ lưu trữ năng lượng là điều tuyệt vời, nhưng cũng đáng buồn khi biết rằng giải pháp duy nhất là phải làm nhiều khoa học khó khăn hơn để tìm ra các vật liệu điện phân vượt trội hơn.