Pin trạng thái rắn linh hoạt là gì?

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã phát triển một loại pin thể rắn mới có thể tăng phạm vi hoạt động của các phương tiện điện và ngăn cháy nổ trong máy tính xách tay và điện thoại thông minh. Các tác giả mô tả những phát hiện của họ trong Vật liệu Năng lượng Tiên tiến. Bằng cách thay thế các chất điện phân lỏng được sử dụng trong pin sạc thông thường bằng các chất điện phân 'rắn', gốm, chúng có thể tạo ra pin hiệu quả hơn, tuổi thọ cao hơn và cũng an toàn hơn khi sử dụng. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng những lợi thế này có thể mở đường cho các loại pin xanh hơn, hiệu quả hơn cho tất cả các loại thiết bị bao gồm cả ô tô điện.

Các tác giả của nghiên cứu, đến từ Mỹ và Anh, đã tìm hiểu các giải pháp thay thế chất điện phân lỏng trong pin lithium ion trong một thời gian. Vào năm 2016, họ đã công bố phát triển một loại pin thể rắn có thể hoạt động với điện áp cao hơn gấp đôi so với các tế bào lithium ion thông thường, nhưng với hiệu suất tương tự.

Trong khi thiết kế mới nhất của họ thể hiện một cải tiến đáng kể trên phiên bản trước đó, nhà nghiên cứu, Giáo sư Donald Sadoway từ MIT lưu ý rằng vẫn còn chỗ để cải tiến: "Việc đạt được độ dẫn ion cao trong vật liệu gốm ở nhiệt độ cao có thể khó khăn", ông giải thích. "Đây là một thành tựu đột phá." Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng sau khi thử nghiệm, loại pin cải tiến này sẽ chứng minh được khả năng thích hợp cho các phương tiện chạy điện hoặc thậm chí cung cấp năng lượng cho máy bay.

Ở trạng thái rắn, pin bị hư hỏng do quá nhiệt được ngăn ngừa bằng cách sử dụng chất điện phân gốm thay vì chất lỏng, dễ cháy. Nếu pin bị hỏng và bắt đầu quá nóng, các ký tự điện phân gốm thay vì bắt lửa, điều này khiến pin không bắt lửa. Các lỗ rỗng trong cấu trúc của các vật liệu rắn này cũng cho phép chúng mang điện tích cao hơn nhiều với các ion di chuyển qua một mạng lưới mở rộng bên trong vật liệu rắn.

Những tính năng này có nghĩa là các nhà khoa học đã có thể nâng cao cả điện áp và điện dung của pin so với pin chứa chất điện phân lỏng dễ cháy. Trên thực tế, Giáo sư Sadoway cho biết: "Chúng tôi đã chứng minh một tế bào không khí lithium với 12 vôn hoạt động ở 90 độ C [194 ° F]. Con số này cao hơn bất kỳ ai khác đã đạt được."

Thiết kế pin mới này có những lợi thế tiềm năng khác so với chất điện phân dễ cháy, bao gồm thực tế là chất điện phân gốm thường ổn định hơn chất điện phân hữu cơ. “Điều đáng kinh ngạc là nó hoạt động tốt như thế nào,” Giáo sư Sadoway nói. "Chúng tôi lấy ra nhiều năng lượng từ tế bào này hơn là chúng tôi đưa vào nó."

Sự ổn định này có thể cho phép các nhà sản xuất đóng gói số lượng lớn các tế bào trạng thái rắn vào máy tính xách tay hoặc ô tô điện mà không phải lo lắng về việc chúng quá nóng, giúp thiết bị an toàn hơn nhiều và kéo dài tuổi thọ chức năng của chúng. Hiện tại, nếu những loại pin này quá nóng sẽ có nguy cơ bắt lửa - như gần đây đã xảy ra với điện thoại Samsung Galaxy Note 7. Các ngọn lửa kết quả sẽ không thể lan rộng vì không có không khí bên trong các tế bào để duy trì sự cháy; thực sự, chúng sẽ không thể lan rộng ra ngoài vị trí bị thiệt hại ban đầu.

Những vật liệu rắn này cũng rất lâu dài; ngược lại, một số nỗ lực chế tạo pin lithium ion với chất điện phân lỏng dễ cháy, hoạt động ở nhiệt độ cao hơn (trên 100 ° C) thường bắt lửa sau 500 hoặc 600 chu kỳ. Các chất điện phân gốm có thể chịu được hơn 7500 chu kỳ sạc / xả mà không bắt lửa. "

Phát hiện mới có thể có ý nghĩa rất lớn đối với cả việc mở rộng phạm vi EV và ngăn cháy điện thoại thông minh. Theo Sadoway: "Các thế hệ pin cũ có pin khởi động bằng axit chì. Chúng có phạm vi hoạt động ngắn nhưng cực kỳ đáng tin cậy", ông nói thêm rằng điểm yếu không lường trước được của chúng là "nếu nó nóng hơn khoảng 60 ° C thì nó sẽ bốc cháy. "

Ông giải thích, pin lithium ion ngày nay là một bước tiến so với loại pin này. Ông nói thêm rằng pin thể rắn mới có khả năng là một "bước đột phá cơ bản" vì nó có thể dẫn đến các thiết bị an toàn hơn, đáng tin cậy hơn rất nhiều.

Các nhà khoa học tại MIT cho rằng công nghệ này có thể mất XNUMX năm để được sử dụng rộng rãi nhưng thậm chí sớm nhất là vào năm sau, họ hy vọng sẽ thấy những loại pin này được trang bị trong điện thoại thông minh của các nhà sản xuất lớn như Samsung hoặc Apple. Họ cũng lưu ý rằng có rất nhiều mục đích sử dụng thương mại cho các tế bào này ngoài điện thoại, bao gồm cả máy tính xách tay và xe điện.

Tuy nhiên, Giáo sư Sadoway cảnh báo rằng vẫn còn một số chặng đường trước khi công nghệ này được hoàn thiện. "Chúng tôi đã có một tế bào trông thực sự xuất sắc nhưng vẫn còn rất sớm. Chúng tôi vẫn chưa tạo ra các tế bào với quy mô lớn, điện cực mật độ công suất cao."

Sadoway tin rằng bước đột phá này sẽ được áp dụng rộng rãi ngay lập tức vì nó có tiềm năng không chỉ cung cấp nhiên liệu cho xe điện với phạm vi lớn hơn nhiều mà còn có khả năng ngăn chặn cháy điện thoại thông minh. Có lẽ đáng ngạc nhiên hơn là dự đoán của ông rằng pin trạng thái rắn có thể được sử dụng phổ biến trong vòng chưa đầy XNUMX năm nữa một khi hầu hết các nhà sản xuất đều thuyết phục về độ an toàn và độ tin cậy của chúng.