Dùng cát làm cực dương, tăng gấp 3 hiệu năng cho pin Li-ion

Cực dương của pin Lithium-ion (Li-ion) thông thường được làm bằng than chì (graphite) nhưng không ít người tin rằng hiệu năng của loại vật liệu này đã đạt giới hạn, do đó hối thúc các nhà nghiên cứu tìm kiếm những giải pháp thay thế khả thi. Một trong những vật liệu thay thế tiềm năng được giới nghiên cứu tập trung là nano silicon nhưng nó rất khó để sản xuất với số lượng lớn và thường bị thoái hóa rất nhanh.

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại đại học California, Riverside (UC Riverside) đã khắc phục các vấn đề này bằng cách phát triển một loại cực dương cho pin Li-ion có thành phần chính là cát.

Nghiên cứu của UC Riverside bắt nguồn từ phát hiện của Zachary Favors - một sinh viên tốt nghiệp hiện đang nghiên cứu pin Li-ion. Trong một lần đi biển tại San Clemente, California, Favors đã nhận ra rằng lớp cát mà anh đang nằm lên có thành phần chính là thạch anh hay SiO₂ và điều này khiến anh muốn tìm hiểu sâu hơn về chúng. Nghiên cứu sẽ giúp xác định cát ở đâu tại Mỹ có thể chứa tỉ lệ thạch anh cao nhất và cuối cùng Favors đã tìm được nguồn cát phù hợp tại khu vực hồ trữ nước Cedar Creek thuộc Texas.

Từ trái sang (b) cát chưa tinh chế, (c) cát tinh chế, (d) các lọ chứa mẫu cát chưa tinh chế, cát tinh chế và nano silicon

Favors đã thu thập một số mẫu cát tại đây và đưa trở về phòng thí nghiệm thuộc trường kỹ thuật Bourns tại UC Riverside và tại đây, anh đã làm việc với các giáo sư kỹ thuật Cengiz và Mihri Ozkan. Favors bắt đầu nghiền mịn cát đến tỉ lệ nano trước khi đưa chúng vào một loạt các bước tinh chế khiến cho cát có màu sắc và kết cấu tương tự như đường bột.

Sau đó, Favors đưa cát và ma-giê (magnesium) vào thạch anh tinh chế và đun nóng thành bột. Trong quy trình đơn giản này, cát đóng vai trò là một lớp hấp thụ nhiệt trong khi ma-giê loại bỏ oxy từ thạch anh, từ đó tạo ra silicon tinh khiết. Hơn nữa, nano-silicon tinh khiết được hình thành với cấu trúc rất xốp và nhất quán giống silicon 3 chiều. Trạng thái xốp là một trong những chìa khóa quan trọng để cải thiện hiệu năng của cực dương trong pin khi nó mang lại một bề mặt lớn hơn, cho phép các ion Li+ di chuyển xuyên qua nhanh hơn.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một viên pin Li-ion với kích cỡ bằng xu sử dụng cực dương mới và họ cho rằng hiệu năng của nó tốt hơn rõ rệt so với các pin Li-ion thông thường. Nhóm cho biết hiệu năng cải thiện của điện cực nano silicon có thể tăng tuổi thọ pin lên 3 lần khi sử dụng trên các thiết bị di động như điện thoại, đồng thời pin cũng chỉ cần được sạc đầy mỗi 3 ngày 1 lần thay vì hàng ngày như hiện nay. Tương tự, pin Li-ion với cực dương nano-silicon cũng sẽ kéo dài thời gian vận hành các phương tiện chạy điện lên gấp 3 lần, qua đó cắt giảm các chi phí thay thế đắt đỏ.

Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách sản xuất nano silicon ở số lượng lớn hơn và chuyển từ dang pin tròn sang dạng pin lớn hơn thường được dùng trong điện thoại di động. Công nghệ trên cũng đã được UC Riverside đệ đơn cấp bằng sáng chế và chi tiết nghiên cứu cũng vừa được đăng tải trên tạp chí Scientific Reports.