Phát hiện đột phá về cấu trúc dendrite lithium trong pin
Các nhà khoa học từ Mỹ và Singapore vừa công bố nghiên cứu quan trọng về dendrite lithium - những cấu trúc tinh thể nhỏ xíu hình thành trên cực dương của pin lithium-ion. Những dendrite này khi phát triển đủ dài có thể xuyên thủng lớp ngăn cách bên trong, dẫn đến hiện tượng đoản mạch nguy hiểm và làm hỏng pin hoàn toàn.
Thách thức trong quan sát và nghiên cứu dendrite
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trước đây về các nhánh tinh thể lithium, nhưng hành vi cơ học của chúng trong quá trình pin hoạt động vẫn là bí ẩn lớn. Việc quan sát trực tiếp dendrite cực kỳ khó khăn do chúng hình thành ở cấp độ nano và nằm sâu bên trong các tế bào pin kín.
Boyu Zhang, nghiên cứu sinh tại Đại học Rice (Mỹ), chia sẻ: "Chúng tôi đã phát triển các nền tảng chuẩn bị mẫu và đặc tính cơ học tùy chỉnh cho công việc này". Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các nền tảng thí nghiệm chuyên dụng có khả năng phân lập và thử nghiệm dendrite từ pin đang hoạt động, với quy trình xử lý mẫu trong môi trường kín để tránh tiếp xúc với không khí do tính phản ứng cao của lithium.
Cấu trúc nhỏ nhưng nguy hiểm
Theo báo cáo đăng trên tạp chí Science, các dendrite lithium có kích thước cực kỳ nhỏ - mỏng hơn khoảng 100 lần so với chiều rộng sợi tóc người. Sử dụng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao, các nhà khoa học đã quan sát được cách các nhánh tinh thể này biến dạng dưới tác động lực, cho phép phân tích độ bền và hành vi cấu trúc của chúng.
Trái với suy nghĩ trước đây cho rằng dendrite mềm và dẻo, nghiên cứu mới phát hiện chúng thực chất có cấu trúc cứng và giòn, dễ dàng gãy vỡ dưới tác động cơ học. Xing Liu, trợ lý giáo sư tại Viện Công nghệ New Jersey, nhấn mạnh: "Các nhánh tinh thể lithium được công nhận là một trong những trở ngại lớn nhất đối với việc thương mại hóa pin lithium-kim loại".
Cơ chế gây hại và tác động đến hiệu suất pin
Trong quá trình phát triển, dendrite được phủ một lớp mỏng gọi là lớp giao diện điện phân rắn (SEI), khiến chúng trở nên cứng hơn và có hình dạng giống như kim nhọn. Đặc tính này làm tăng khả năng xuyên thủng màng ngăn và chất điện phân của pin, từ đó tạo điều kiện cho đoản mạch xảy ra.
Khi dendrite bị vỡ, các mảnh vỡ tích tụ thành "lithium chết" bên trong pin, làm giảm đáng kể hiệu suất và tuổi thọ của pin. Liu cho biết thêm: "Hiện không có phương pháp thực tế nào để loại bỏ các nhánh tinh thể khỏi một cell pin đang hoạt động".
Hướng đi cho tương lai
Tuy nhiên, việc hiểu rõ cơ chế hình thành và phá vỡ của dendrite mở ra triển vọng quan trọng cho ngành công nghiệp pin. Những phát hiện này có thể định hướng các chiến lược thiết kế pin thế hệ tiếp theo an toàn hơn, bao gồm việc điều chỉnh vật liệu cực dương hoặc sử dụng hợp kim lithium để hạn chế hiện tượng gãy giòn và sự phát triển của dendrite.
Nghiên cứu không chỉ giải quyết nguyên nhân cơ bản gây hỏng pin và các sự cố an toàn liên quan đến pin lithium-ion, mà còn cung cấp nền tảng khoa học vững chắc cho việc phát triển công nghệ pin tiên tiến trong tương lai.
