Phát hiện có thể dẫn đến pin EV bền hơn, đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu quốc tế do một kỹ sư tại Đại học Colorado Boulder dẫn đầu đã tiết lộ cơ chế cơ bản đằng sau sự suy giảm pin như vậy. Phát hiện của họ có thể giúp các nhà khoa học phát triển pin tốt hơn, cho phép xe điện chạy xa hơn và bền hơn, đồng thời cũng thúc đẩy các công nghệ lưu trữ năng lượng sẽ đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch.

“Chúng tôi đang giúp thúc đẩy pin lithium-ion bằng cách tìm ra các quá trình cấp độ phân tử liên quan đến sự suy giảm của chúng,” Michael Toney, tác giả tương ứng của bài báo và giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học cho biết. “Có một viên pin tốt hơn là rất quan trọng trong việc chuyển đổi cơ sở hạ tầng năng lượng của chúng ta từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng tái tạo nhiều hơn.”

Các kỹ sư đã làm việc nhiều năm để thiết kế pin lithium-ion – loại pin sạc phổ biến nhất – không có coban. Coban là một khoáng sản hiếm đắt tiền và quá trình khai thác của nó đã được liên kết với các vấn đề môi trường và nhân quyền nghiêm trọng. Ở Cộng hòa Dân chủ Congo, nơi cung cấp hơn một nửa coban của thế giới, nhiều thợ mỏ là trẻ em.

Cho đến nay, các nhà khoa học đã cố gắng sử dụng các nguyên tố khác như niken và magiê để thay thế coban trong pin lithium-ion. Nhưng những loại pin này có tỷ lệ tự xả thậm chí còn cao hơn, đó là khi các phản ứng hóa học bên trong của pin làm giảm năng lượng được lưu trữ và làm giảm dung lượng của nó theo thời gian. Do tự xả, hầu hết pin EV có tuổi thọ từ bảy đến mười năm trước khi cần được thay thế.

Toney, người cũng là một thành viên của Viện Năng lượng Tái tạo và Bền vững, và nhóm của ông đã bắt đầu điều tra nguyên nhân của tự xả. Trong một viên pin lithium-ion điển hình, các ion lithium, mang điện tích, di chuyển từ một bên của pin, được gọi là cực âm, sang bên kia, được gọi là cực dương, thông qua một môi trường được gọi là chất điện giải. Trong quá trình này, dòng chảy của các ion tích điện này tạo thành một dòng điện cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử. Sạc pin đảo ngược dòng chảy của các ion tích điện và trả chúng về cực âm.

Trước đây, các nhà khoa học nghĩ rằng pin tự xả vì không phải tất cả các ion lithium đều quay trở lại cực âm khi sạc, làm giảm số lượng ion tích điện có sẵn để tạo thành dòng điện và cung cấp năng lượng.

Sử dụng Nguồn Photon Tiên tiến, một máy X-quang mạnh mẽ, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ở Illinois, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các phân tử hydro từ chất điện giải của pin sẽ di chuyển đến cực âm và chiếm chỗ mà các ion lithium thường liên kết. Kết quả là, các ion lithium có ít vị trí hơn để liên kết với cực âm, làm suy yếu dòng điện và giảm dung lượng của pin.

Vận tải là nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất duy nhất được tạo ra ở Hoa Kỳ, chiếm 28% lượng khí thải của cả nước vào năm 2021. Trong nỗ lực giảm lượng khí thải, nhiều nhà sản xuất ô tô đã cam kết chuyển từ phát triển ô tô xăng sang sản xuất nhiều EV hơn. Nhưng các nhà sản xuất EV phải đối mặt với hàng loạt thách thức, bao gồm phạm vi hoạt động hạn chế, chi phí sản xuất cao hơn và tuổi thọ pin ngắn hơn so với các phương tiện truyền thống. Trên thị trường Hoa Kỳ, một chiếc xe điện hoàn toàn tiêu chuẩn có thể chạy khoảng 250 dặm trong một lần sạc, khoảng 60% so với một chiếc xe chạy xăng. Nghiên cứu mới có khả năng giải quyết tất cả các vấn đề này, Toney nói.

“Tất cả người tiêu dùng đều muốn những chiếc xe có phạm vi hoạt động lớn. Một số loại pin chứa ít coban này có thể cung cấp phạm vi hoạt động cao hơn, nhưng chúng tôi cũng cần đảm bảo rằng chúng không bị hỏng trong thời gian ngắn,” ông nói, lưu ý rằng giảm coban cũng có thể giảm chi phí và giải quyết các vấn đề về nhân quyền và công lý năng lượng.

Với sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế tự xả, các kỹ sư có thể khám phá một vài cách để ngăn chặn quá trình này, chẳng hạn như phủ lên cực âm một vật liệu đặc biệt để chặn các phân tử hydro hoặc sử dụng chất điện giải khác.

“Bây giờ chúng tôi hiểu điều gì đang khiến pin bị suy giảm, chúng tôi có thể thông báo cho cộng đồng hóa học pin về những gì cần được cải thiện khi thiết kế pin,” Toney nói.

(theo ScienceDaily – thegioilithium.com.vn lược dịch)