Pin kim loại mềm mô phỏng sinh học giúp xe điện chạy được hơn 800km sau mỗi lần sạc

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia đã phát triển một kết hợp kim loại mới có thể thay đổi tương lai của pin thể rắn. Bằng cách pha trộn lithium với một nguyên tố mềm, là natri, nhóm nghiên cứu đã tìm ra cách giảm đáng kể áp suất cần thiết để những loại pin này hoạt động.

Sự đổi mới này có thể tạo ra nguồn năng lượng nhẹ hơn, bền hơn cho mọi thứ, từ điện thoại thông minh đến xe điện.

Những phát hiện này được công bố bởi phòng thí nghiệm của Matthew McDowell, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu thuộc Viện Công nghệ Georgia. Nhóm của ông cũng đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phát minh đột phá này.

Sun Geun Yoon làm việc bên trong hộp đựng găng tay tại phòng thí nghiệm của McDowell, xử lý các vật liệu kim loại mềm được sử dụng trong pin thể rắn mới. Ảnh: Interesting Engineering

Vấn đề áp suất trong công nghệ trạng thái rắn

Pin thể rắn hứa hẹn mật độ năng lượng cao hơn và an toàn hơn pin lithium-ion. Pin sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất lỏng dễ cháy, giúp pin hoạt động ổn định hơn.

Tuy nhiên, pin thể rắn thường đòi hỏi áp suất cao để hoạt động. Các tấm kim loại cần thiết để tạo áp suất thường nặng hơn và cồng kềnh hơn bản thân pin. Điều này khiến pin quá nặng và cồng kềnh.

Thách thức đó đã khiến pin thể rắn chưa được sử dụng rộng rãi, mặc dù đã trải qua nhiều năm nghiên cứu và quảng cáo rầm rộ.

Tại sao lại là natri?

Nhóm nghiên cứu do nhà khoa học nghiên cứu Sun Geun Yoon của Georgia Tech dẫn đầu đã phát hiện ra rằng việc thêm natri vào lithium sẽ làm thay đổi cục diện. Natri không hoạt động trong quá trình điện hóa của pin, nhưng độ mềm của nó đóng vai trò quan trọng.

McDowell cho biết, việc bổ sung kim loại natri là bước đột phá. “Điều này có vẻ trái ngược với trực giác vì natri không hoạt động trong hệ thống pin, nhưng nó rất mềm, giúp cải thiện hiệu suất của lithium”, ông nói.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy natri hoạt động giống như một pha có thể biến dạng, điều chỉnh theo những thay đổi về cấu trúc trong quá trình sử dụng pin.

Độ mềm của natri không phải là cường điệu. Trong điều kiện được kiểm soát, người ta có thể ấn ngón tay đeo găng vào kim loại và để lại dấu vết trên bề mặt. Khi kết hợp với lithium, natri dễ dàng biến dạng dưới áp suất thấp hơn, giữ tiếp xúc tốt hơn với chất điện phân rắn. Điều này cải thiện hiệu suất pin tổng thể.

Để hiểu lý do tại sao pin natri-lithium hoạt động tốt hơn, nhóm nghiên cứu đã sử dụng khái niệm về hình thái học - cấu trúc sinh học tiến hóa dựa trên các điều kiện cục bộ. Sự hình thành hình thái rất hiếm trong khoa học vật liệu, nhưng sự tương tác giữa natri và lithium tuân theo mô hình này.

Nhóm của McDowell đã phát triển khái niệm này trong trong một số dự án khác và trong các trường đại học. Họ đã chứng minh sự vượt trội của loại pin mới, giúp điện thoại có tuổi thọ dài hơn, hoặc xe điện có khả năng đi được 500 dặm (khoảng 804km) chỉ với một lần sạc.

Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức trước khi thương mại hóa, nhóm của McDowell vẫn tiếp tục thử nghiệm các vật liệu mới. Mục tiêu của họ là đưa pin thể rắn cạnh tranh với pin tiêu chuẩn lithium-ion trên thị trường. Nếu thành công, sự thay đổi này có thể đánh dấu bước nhảy vọt lớn trong công nghệ pin.

Theo Interesting Engineering