Công nghệ mới giúp tăng hiệu suất hoạt động của pin Li-ion

Với sự phát triển không ngừng của các thiết bị điện tử thì pin cũng không ngừng được nghiên cứu để hiệu suất hoạt động của chúng ngày càng tăng. Gần đây, các nhà khoa học thuộc Học Viện Công Nghệ Georgia - Mỹ - phát triển một loại điện cực dương hiệu năng cao dựa trên vật liệu phức hợp silicon-cacbon nhằm tăng hiệu suất hoạt động của pin Li-ion trong các thiết bị điện tử di động và tiến tới mở rộng sử dụng trên các phương tiện vận chuyển chạy điện và hybrid.

http://photo.tinhte.vn/?id=225416&d=1270738535&f=212777&uid=52034&n=silicon-based-lit.jpg
Cấu trúc của một hạt phức hợp silicon-cacbon

Than chì vs Silicon:
Các loại pin Li-ion hiện nay đều có cực dương làm bằng than chì, một dạng của cacbon. Chúng tạo ra dòng điện bằng cách chuyển giao các ion Lithi giữa 2 điện cực - cực dương và cực âm - thông qua một chất điện phân dạng lỏng. Hơn nữa, ion Lithi có thể đi vào 2 điện cực trong suốt quá trình sạc và xả pin, do đó pin sẽ có dung lượng lớn hơn. Trên lý thuyết, nếu cực dương bằng silicon thì dung lượng pin sẽ cao hơn nhiều lần so với cực than chì nhưng loại điện cực này vẫn chưa đủ độ ổn định để đưa vào sử dụng thực tế.

Được sản xuất với kỹ thuật tự gắn kết, cấu trúc điện cực trên đã tận dụng những thế mạnh từ công nghệ nano để tinh chỉnh đặc tính vật liệu và khắc phục những thiếu sót từ loại điện cực dương bằng silicon trước đây. Điện cực than chì gồm những hạt có khoảng cách từ 15 đến 20 micromet. Nếu chỉ đơn giản thay thế nhưng hạt than chì bằng hạt silicon có cùng kích cỡ thì quá trình giãn nở và co rút khi ion Lithi ra vào điện cực silicon sẽ khiến điện cực hỏng rất nhanh.

Vật liệu phức hợp nano mới sẽ giải quyết vấn đề này và cho phép các nhà chế tạo pin lợi dụng những ưu điểm về điện lượng của vật liệu silicon. Qua đó, với cùng một cỡ pin nhưng điện năng đầu ra sẽ cao hơn hoặc cho phép một viên pin nhỏ sản xuất đủ năng lượng theo yêu cầu. Kết quả từ các phép đo điện của loại điện cực trên trong pin dẹt (pin đồng hồ) cho thấy chúng có dung lượng cao hơn gấp 5 lần so với dung lượng của pin than chì.

Tạo nên một loại pin tốt hơn:
Quy trình chế tạo điện cực phức hợp bắt đầu bằng việc hình thành một cấu trúc dẫn điện phân nhánh dày đặc từ các hạt nano than đen được tôi cứng trong lò luyện ở nhiệt độ cao. Những khối cầu hạt nano silicon với đường kính nhỏ hơn 30 nanomet sau đó sẽ được thiết lập bên trong cấu trúc cacbon qua một quy trình kết tủa hơi. Lúc này, phức hợp silicon-cacbon sẽ có cấu trúc giống như "những quả táo treo trên cây."

Bằng việc sử dụng grafit cacbon làm chất gắn kết dẫn điện, phức hợp silicon-cacbon sẽ tự tụ hợp thành những khối cầu cứng có chỗ hở, liên kết với các kênh rỗng bên trong. Các khối cầu với khoảng cách các hạt silicon từ 10 đến 30 micromet sẽ được sử dụng để tạo nên điện cực dương. Bên cạnh đó, loại bột phức hợp có kích thước lớn gấp hàng nghìn lần so với một hạt silicon đơn lẻ sẽ giúp việc chế tạo điện cực trở nên dễ dàng hơn.

Các kênh rỗng bên trong khối cầu silicon-cacbon thực hiện 2 chức năng. Chúng tiếp nhận dòng chất điện phân lỏng, do đó pin Li-ion sẽ sạc nhanh hơn đồng thời tạo ra khoảng không để silicon có thể dãn nở và co rút mà không làm hư hỏng điện cực. Ngoài ra, các kênh rỗng và các hạt có kích thước nanomet cũng cung cấp những đường khuếch tán ion Lithi vào điện cực dương nhằm tăng áp cho nguồn năng lượng pin.

Kích thước của hạt silicon được điều chỉnh dựa theo thời gian quá trình kết tủa xảy ra và áp lực tác động lên hệ thống kết tủa. Kích cỡ của cấu trúc nhánh nano cacbon và khối cầu silicon sẽ quyết định kích cỡ của các khe hở bên trong phức hợp.

Dễ dàng áp dụng:
Kỹ thuật chế tạo đơn giản và giá thành thấp của điện cực silicon-cacbon được thiết kế để tương thích với các quy trình sản xuất pin hiện có. Dương cực phức hợp nano sẽ được sử dụng trong cấu tạo của pin tương tự với cấu trúc than chì thông thường, do đó các nhà sản xuất có thể dễ dàng áp dụng vật liệu mới này mà không làm thay đổi dây chuyền sản xuất. Ngoài ra, do khối cầu phức hợp hoàn thiện có kích thước lớn nên khi được đúc vào điện cực, kỹ thuật tự gắn kết sẽ giảm bớt những ảnh hưởng đến sức khỏe của công nhân khi tiếp xúc với bột nano.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm loại điện cực mới này và kết quả cho thấy chúng có thể sạc đi sạc lại hàng trăm lần. Tuy nhiên, phó giáo sư Gleb Yushin - khoa khoa học vật liệu và kỹ thuật thuộc đại học Georgia - tin rằng vật liệu trên vẫn giữ tính ổn định qua hàng nghìn lần sạc bởi các dấu hiệu của sự suy giảm kết cấu vẫn không xuất hiện trên loại điện cực này. Theo Yushin, nếu công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ cũ thì thị trường pin Li-ion sẽ được cải tiến và hoàn toàn có thể áp dụng vào các lĩnh vực khác như pin mặt trời hay xe điện.

Nguồn: Gizmag