Cuối cùng thì các nhà khoa học đã có thể giải mã cơ chế lão hóa của pin lithium-ion

Các nhà nghiên cứu quốc tế vừa khám phá ra những cơ chế cơ bản đằng sau sự xuống cấp của pin lithium-ion, một phát hiện có thể mang lại bước đột phá trong việc thiết kế pin, cải thiện hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của xe điện (EV). Nghiên cứu này không chỉ mở ra triển vọng cho ngành công nghiệp xe điện mà còn có thể thúc đẩy các giải pháp lưu trữ năng lượng sạch.

Pin lithium-ion là một trong những công nghệ lưu trữ năng lượng phổ biến nhất hiện nay, nhưng theo thời gian, khả năng lưu trữ năng lượng của những khối pin này sẽ giảm dần. Đây là lý do vì sao các thiết bị điện tử cũ thường tiêu hao năng lượng nhanh hơn. Tuy nhiên, nguyên nhân thực sự gây ra hiện tượng này vẫn chưa được hiểu rõ.

Một nhóm các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi các chuyên gia từ Đại học Colorado Boulder, đã công bố phát hiện mới về cơ chế tự xả của pin lithium-ion. Bằng cách sử dụng máy tia X mạnh mẽ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (Hoa Kỳ), họ đã xác định rằng các phân tử hydro trong chất điện phân của pin có thể can thiệp vào quá trình di chuyển của ion lithium. Điều này làm giảm dung lượng và làm yếu hiệu suất của pin theo thời gian.

Pin lithium-ion là một công nghệ tuyệt vời, nhưng không có gì là hoàn hảo cả. Việc chúng bị xuống cấp theo thời gian là một hiện tượng tự nhiên và có nhiều yếu tố tác động đến quá trình này.

Phát hiện này, được công bố trên tạp chí Science, hứa hẹn cải thiện đáng kể tuổi thọ và hiệu suất của pin lithium-ion. Michael Toney, tác giả chính của nghiên cứu, nhận định: "Hiểu rõ cơ chế cấp độ phân tử đằng sau sự xuống cấp của pin lithium-ion sẽ giúp thúc đẩy việc phát triển pin bền vững hơn. Điều này là quan trọng để giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và chuyển đổi sang năng lượng tái tạo".

Nhiều nhà sản xuất ô tô đang chuyển hướng sang xe điện, nhưng phải đối mặt với thách thức về tuổi thọ pin ngắn và phạm vi di chuyển hạn chế. Một chiếc xe ô tô điện điển hình tại thị trường Mỹ hiện chỉ có thể di chuyển khoảng 250 dặm sau mỗi lần sạc, trong khi xe xăng có thể đi xa hơn nhiều. Toney cho rằng nghiên cứu này có thể giúp giải quyết những vấn đề đó, đồng thời giảm chi phí sản xuất và cải thiện hiệu suất của pin.

Khi pin được sạc và xả, các ion lithium di chuyển qua lại giữa cực dương và cực âm. Quá trình này tạo ra các phản ứng hóa học không hoàn hảo, dẫn đến sự hình thành các lớp phủ trên bề mặt điện cực. Các lớp phủ này cản trở quá trình di chuyển của ion lithium, làm giảm dung lượng và hiệu suất của pin. Các phản ứng phụ khác cũng có thể xảy ra, gây ra sự phân hủy của chất điện phân và các thành phần khác của pin.

Một trong những thách thức lớn của ngành sản xuất pin là việc sử dụng coban, một nguyên tố quý hiếm và đắt đỏ. Nguồn cung coban chủ yếu đến từ Cộng hòa Dân chủ Congo, tuy nhiên nơi khai thác coban gây ra các vấn đề nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường xung quanh. Do đó, các nhà khoa học đã tìm cách thay thế coban bằng các nguyên tố khác như niken và magiê. Tuy nhiên, những loại pin này lại có xu hướng tự giải phóng điện nhanh hơn, gây suy giảm năng lượng và làm giảm tuổi thọ pin.

Nghiên cứu mới của Toney và cộng sự đã chỉ ra rằng hiện tượng tự giải phóng điện không chỉ do các ion lithium không trở về cực dương trong quá trình sạc, mà còn do các phân tử hydro trong chất điện phân chiếm chỗ các ion lithium tại cực âm. Điều này dẫn đến sự suy giảm dung lượng của pin và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của các thiết bị chạy bằng pin, bao gồm xe ô tô điện.

Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ các phản ứng hóa học bên trong pin, đẩy nhanh quá trình xuống cấp. Ngược lại, nhiệt độ quá thấp cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của pin.

Mỗi lần sạc và xả đều gây ra một chút tổn hại cho pin. Số lần sạc-xả càng nhiều, pin càng nhanh bị xuống cấp. Việc xả pin quá sâu (gần hết pin) cũng làm tăng tốc độ xuống cấp. Sạc quá nhanh có thể tạo ra nhiệt lượng lớn, gây hại cho pin. Bảo quản pin không đúng cách, chẳng hạn như để pin ở nơi ẩm ướt, quá nóng hoặc quá lạnh, cũng góp phần làm giảm tuổi thọ của pin.

Hiểu rõ hơn về cơ chế này sẽ giúp các kỹ sư phát triển các biện pháp ngăn chặn sự xuống cấp của pin. Một trong những giải pháp tiềm năng là phủ cực âm bằng vật liệu đặc biệt để ngăn cản sự can thiệp của các phân tử hydro, hoặc thay thế chất điện phân bằng loại khác. Nhóm nghiên cứu cũng đang tìm cách tối ưu hóa thành phần của pin để kéo dài tuổi thọ và tăng cường hiệu suất, giúp xe điện có phạm vi di chuyển xa hơn và giảm chi phí sản xuất.

Việc pin lithium-ion bị xuống cấp là điều không thể tránh khỏi, nhưng chúng ta có thể kéo dài tuổi thọ của pin bằng cách sử dụng và bảo quản đúng cách. Hiểu rõ nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xuống cấp sẽ giúp bạn có những biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

Phát hiện này không chỉ mang lại tiềm năng lớn cho ngành công nghiệp xe điện mà còn góp phần thúc đẩy các giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Với những cải tiến này, trong tương lai, người tiêu dùng có thể sở hữu những chiếc xe điện có tuổi thọ pin dài hơn, phạm vi di chuyển xa hơn, và góp phần vào mục tiêu bảo vệ môi trường.

• Những điều cần biết về pin lithium-ion và cách tránh chai pin
• Nguyên lý hoạt động và quá trình sạc xả pin lithium ion
• Thiết kế "ngược đời" của pin lithium-ion mới: sạc nóng ở 60 độ C chỉ 10 phút là đầy