KAIST phát triển màng ngăn pin thế hệ mới, duy trì 94% dung lượng sau 100 chu kỳ sạc nhanh

Công nghệ mới sử dụng polymer tinh thể lỏng để kiểm soát đường di chuyển của ion lithium, góp phần rút ngắn thời gian sạc, kéo dài tuổi thọ và hạn chế nguy cơ cháy nổ pin.

Ngày 9/11, Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) thông báo nhóm nghiên cứu do hai giáo sư Yoon Dong-ki và Byun Hye-ryeong thuộc Khoa Hóa học dẫn đầu đã phát triển thành công công nghệ màng ngăn pin thế hệ mới. Công nghệ này sử dụng phương pháp kiểm soát cấu trúc phân tử của polymer tinh thể lỏng nhằm điều hướng chính xác quá trình di chuyển của các ion lithium bên trong pin.

Pin lithium kim loại được xem là công nghệ pin thế hệ tiếp theo nhờ khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion thông thường. Tuy nhiên, loại pin này vẫn đối mặt với một vấn đề lớn về độ an toàn và tuổi thọ.

Trong quá trình sạc, lithium có thể tích tụ không đồng đều trên bề mặt điện cực, hình thành các cấu trúc tinh thể nhọn giống cành cây, gọi là dendrite. Những nhánh lithium này không chỉ làm suy giảm tuổi thọ pin mà còn có thể đâm xuyên màng ngăn – bộ phận có chức năng ngăn cách điện cực dương và điện cực âm. Khi màng ngăn bị hư hỏng, nguy cơ đoản mạch bên trong và cháy pin sẽ tăng lên.

Để khắc phục vấn đề, nhóm nghiên cứu tập trung kiểm soát đường di chuyển của các ion lithium. Khi các ion phải di chuyển theo những đường quanh co, chúng dễ tập trung tại một số vị trí, dẫn đến hiện tượng lithium tích tụ không đồng đều. Ngược lại, nếu được định hướng di chuyển thẳng và phân bố đồng đều về phía điện cực, quá trình sạc có thể diễn ra nhanh hơn, đồng thời hạn chế sự hình thành dendrite.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu tinh thể lỏng (Liquid Crystal), có khả năng kết hợp đặc tính sắp xếp phân tử có trật tự của chất rắn với tính linh động của chất lỏng. Đặc biệt, hướng sắp xếp của các phân tử trong vật liệu này có thể được điều chỉnh thông qua phương pháp xử lý bề mặt.

Bằng cách kiểm soát cấu trúc phân tử của polymer tinh thể lỏng, các nhà khoa học đã thiết kế được màng ngăn giúp định hướng đường di chuyển của ion lithium một cách đồng đều và hiệu quả hơn.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, khi ứng dụng màng ngăn mới vào pin lithium kim loại, pin vẫn duy trì được 94% dung lượng ban đầu sau 100 chu kỳ sạc và xả trong điều kiện sạc nhanh. Đây là điều kiện sạc có tốc độ tương đương khoảng 15 phút để nạp đầy pin theo tính toán lý thuyết.

Giáo sư Yoon Dong-ki cho biết nghiên cứu đã chứng minh khả năng nâng cao hiệu suất và độ an toàn của pin thông qua việc kiểm soát cấu trúc phân tử polymer tinh thể lỏng, từ đó thiết kế đường di chuyển tối ưu cho các ion lithium.
Ông kỳ vọng công nghệ này sẽ góp phần thúc đẩy phát triển các loại pin thế hệ mới có mật độ năng lượng cao, đáp ứng yêu cầu về quãng đường di chuyển dài và khả năng sạc siêu nhanh, đặc biệt trong lĩnh vực xe điện.