Khoa học khám phá ra cấu trúc lithium chưa từng thấy, giúp hạn chế tình trạng cháy nổ của pin

Phát hiện có tiềm năng tạo nên đột phá ngành lưu trữ năng lượng.

Pin lithium-ion sạc lại được cung cấp năng lượng cho vô số đồ điện tử trong thời hiện đại. Chúng là hậu duệ của pin lithium-kim loại vốn không được phát triển rộng rãi. Có lý do để các nhà sản xuất xưa lưỡng lự: mặc dù pin lithium-kim loại có tiềm năng lưu trữ lượng năng lượng lớn gấp đôi pin lithium-ion, nhưng kèm theo đó là nguy cơ cháy nổ cao hơn nhiều lần.

Trong một nghiên cứu mới được thực hiện bởi Viện Hệ thống Nano California (trực thuộc Đại học California - UCLA), một nhóm các nhà khoa học công bố phát hiện quan trọng có thể giúp pin lithium-kim loại vượt mặt hậu duệ của mình. Nghiên cứu mới được đăng tải trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature.

Nhóm các nhà nghiên cứu UCLA có thể khiến lithium không bị ăn mòn, và tạo thành những cấu trúc đa giác gọn gàng - (Ảnh: UCLA).

Kim loại lithium có thể dễ dàng phản ứng với các chất hóa học, đến mức khi chúng được đặt trong điều kiện thường trên một mặt phẳng, hiện tượng ăn mòn lập tức xuất hiện. Thế nhưng, nhóm các nhà nghiên cứu tại UCLA đã phát triển thành công một kỹ thuật có thể ngăn sự ăn mòn, và bất ngờ hơn cả, họ nhận thấy các nguyên tử lithium ghép thành hình dáng đặc biệt - một hình khối 12 mặt có tên rhombic dodecahedron.

"Hiện có hàng ngàn nghiên cứu xoay quanh kim loại lithium, và đa số chúng mô tả những cấu trúc khác nhau, khi "cục mịch" hay "hình trụ"", tác giả nghiên cứu, ông Li Yuzhang nhận xét. "Thật bất ngờ khi chúng tôi tìm ra cách ngăn chặn sự ăn mòn bề mặt, và thay vì những hình dáng [đã được ghi lại trước đây], chúng tôi nhận thấy một hình đa giác từ lâu đã được dự đoán là tồn tại. Suy cho cùng, nghiên cứu này cho phép chúng tôi xét lại hiểu biết của mình về pin lithium-kim loại".

Nói một cách khác, nhóm của ông Yuzhang đã tìm ra cách để lithium không bị ăn mòn nữa, và đồng thời tìm ra một cấu trúc lithium giúp pin tương lai khó bị đoản mạch.

Ở quy mô hiển vi, pin lithium-ion có thể lưu trữ những nguyên tử lithium mang điện tích dương trong một cấu trúc carbon. Ngược lại, pin lithium-kim loại lại phủ điện cực với lithium, và phương pháp này sẽ khiến pin lithium-kim loại tốn vật liệu lithium hơn gấp 10 lần pin li-ion. Lượng lithium tăng đồng hành với cả hiệu năng cao và nguy cơ cháy nổ.

Pin lithium-ion đi đôi với nguy cơ phát nổ.

Quá trình đưa lithium vào điện cực bao gồm một kỹ thuật 200 năm tuổi, tận dụng điện và một dung dịch chứa muối, được gọi là chất điện phân. Thông thường, lithium hình thành ở mức hiển vi tạo thành những cấu trúc giống rễ cây tỏa ra về nhiều hướng. Trong một cục pin, nếu hai sợi lithium chạm nhau, hiện tượng đoản mạch sẽ diễn ra và pin có thể phát nổ.

Trong thí nghiệm mới, lithium hiện nguyên hình khi lớp ăn mòn không còn hiện hữu. Các nhà khoa học tại UCLA nhận định đây là dấu hiệu cho thấy pin lithium-kim loại đã "nhu mì" hơn trước, bởi lẽ các nguyên tử lithium nằm ngay ngắn chứ không vươn ra về nhiều hướng. Phát hiện mới có thể tạo nên đột phá ngành công nghệ nói chung và ngành lưu trữ nói riêng.

"Các nhà khoa học, các kỹ sư đã miệt mài suốt hai thập kỷ viết nên lượng dữ liệu, về cách tạo hình các kim loại như vàng, platinum, bạc thành khối lập phương, khối cầu và khối trụ. Giờ ta đã biết thêm về hình dáng của lithium", nhà nghiên cứu Yuzhang nhận định. "Hiện sẽ phải đặt thêm câu hỏi, liệu có thể xếp chúng thành từng khối, và tăng hiệu năng cũng như độ an toàn của pin hay không?"

Từ trước tới nay, quan điểm của đám đông vẫn cho rằng chất điện phân sẽ quyết định hình hài của cấu trúc lithium. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại UCLA lại cho thấy sự thực không phải vậy.

Hình trên là cách lithium hình thành khi không có lớp ăn mòn, bốn hình dưới cho thấy lithium hình thành trong điều kiện thường - (Ảnh: UCLA).

"Chúng tôi muốn quan sát xem liệu mình có thể đưa lithium vào hệ thống pin nhanh hơn tốc độ ăn mòn không", tác giả chính của nghiên cứu, ông Yuan Xintong nói với báo giới. "Bằng cách này, chúng tôi có thể chứng kiến cách lithium tỏa ra mà không bị ảnh hưởng bởi lớp ăn mòn".

Nhóm đã phát triển thành công một kỹ thuật bơm lithium nhanh hơn tốc độ ăn mòn, đồng thời chứng kiến lithium kết lại thành những hình đa giác gọn gàng tí hon, với chiều dài cấu trúc tương đương 2 phần triệu của một mét, hay chiều dài trung bình của một con vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu đã có thể quan sát được cấu trúc lithium bằng kính hiển vi electron lạnh, vốn được dùng để xác định hình dáng protein và virus.

Theo lời ông Yuzhang, kỹ thuật bơm lithium vẫn chưa được tối ưu. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã làm được việc khó nhất: loại bỏ yếu tố ăn mòn của lithium, và chứng kiến một cấu trúc lithium gọn gàng chưa từng thấy. Công nghệ lưu trữ năng lượng sử dụng lithium có thể an toàn hơn trong tương lai nhờ khám phá này, và một hệ thống pin mới, an toàn hơn có thể đưa ngành công nghệ lên một tầm cao mới.