Loại pin giúp sạc xe điện đầy 100% chỉ trong 12 phút?
Trong xu hướng chuyển dịch toàn cầu sang xe điện, thời gian sạc pin tiếp tục là một trở ngại đáng kể khiến người dùng băn khoăn lựa chọn.
Chỉ cần thời gian uống một tách cà phê là xe đã được sạc đầy pin – đây là hình dung của nhiều người về tương lai của xe điện. Nhưng các loại pin ngày nay vẫn chưa đạt được lý tưởng này.
Pin lithium-ion (pin Li-Ion) ngày nay cần từ 20-30 phút để sạc từ 20% đến 80%, nhưng việc sạc đầy 100% thường mất nhiều thời gian hơn, và việc sạc tốc độ cao sẽ làm hao mòn tế bào pin theo thời gian.
Tuy nhiên, một nghiên cứu quốc tế mới của Đại học Kiel cho thấy pin Lithium-lưu huỳnh (pin Li-S) có thể sớm khắc phục những hạn chế này.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials, do Tiến sĩ Mozaffar Abdollahifar từ Đại học Kiel, Đức điều phối, đã phác thảo cách pin Li-S có thể vượt qua giới hạn về tốc độ và hiệu suất của các hệ thống pin Li-Ion hiện nay.
Dựa trên phân tích của hàng trăm nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Kiel đã đưa ra lộ trình về cách pin Li-S có thể cho phép thời gian sạc dưới 30 phút, một số có thể chỉ 12 phút, đồng thời mang lại mật độ năng lượng cao hơn và độ an toàn được cải thiện.
Cốt lõi của thiết kế pin Li-S là một cực âm lưu huỳnh được ghép nối với một cực dương lithium kim loại. Sự kết hợp này có công suất lý thuyết lên tới 2.600 watt-giờ trên một kg, gần gấp 10 lần mật độ năng lượng của pin Li-Ion thông thường.
Đối với xe điện, điều này đồng nghĩa với phạm vi hoạt động dài hơn đáng kể chỉ với một lần sạc – một bước thiết yếu để loại bỏ nỗi lo về phạm vi hoạt động cho người tiêu dùng.
Lưu huỳnh là một vật liệu an toàn và thân thiện với môi trường, giá rẻ và dễ kiếm. Điều này khiến nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn so với coban và niken, vốn có chuỗi cung ứng mong manh.
Ảnh minh họa.
Tuy nhiên, công nghệ pin Li-S có những thách thức quan trọng. Lưu huỳnh không dẫn điện tốt, vì vậy nó cần được trộn với các vật liệu gốc carbon để giúp dẫn điện hiệu quả.
Những vật liệu này làm tăng trọng lượng và độ phức tạp cho thiết kế. Hơn nữa, cathode lưu huỳnh bị giãn nở và co lại tới 80% thể tích trong các chu kỳ sạc, làm giảm độ ổn định cơ học và rút ngắn tuổi thọ của pin.
Có lẽ vấn đề đáng chú ý nhất là "hiệu ứng con thoi", khi các hợp chất polysulfide lithium trung gian di chuyển giữa cathode và anode, gây ra các phản ứng phụ không mong muốn và mất hiệu suất.
Vấn đề này không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn tạo ra sự mất ổn định trong chu kỳ sạc dài hạn.
Một thách thức lớn khác là sự hình thành dendrite trên anode kim loại lithium. Những cấu trúc hình kim nhỏ xíu này phát triển trong các chu kỳ sạc lặp lại và có thể dẫn đến đoản mạch, và trong một số trường hợp, gây cháy pin.
Như tác giả chính của nghiên cứu, Jakob Offermann, đã giải thích, việc ngăn chặn sự phát triển của dendrite là điều cần thiết để đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho pin thế hệ tiếp theo, cho phép pin Li-S sạc nhanh mà vẫn duy trì tính an toàn và hiệu suất cao.
Trọng tâm chính là cải tiến thiết kế cathode bằng cách sử dụng các vật liệu tiên tiến dựa trên carbon như graphene, ống nano và cấu trúc carbon hoạt tính xốp để cải thiện khả năng vận chuyển electron và ion.
Những tiến bộ khác bao gồm việc sử dụng vật liệu xúc tác, chẳng hạn như oxit kim loại và chất xúc tác đơn nguyên tử, để tăng tốc phản ứng chuyển đổi lưu huỳnh và ức chế hiệu ứng con thoi.
Các nhà nghiên cứu cũng đang khám phá các bộ tách cải tiến và chất điện phân có nồng độ cao để chứa polysulfide và cho phép trao đổi ion nhanh chóng.
Việc ổn định anode lithium vẫn là ưu tiên hàng đầu. Lớp phủ bề mặt bảo vệ và cấu trúc lithium 3D được thiết kế đang được thử nghiệm để ức chế sự hình thành dendrite và kéo dài tuổi thọ pin.
Song song đó, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm các dạng lưu huỳnh mới, chẳng hạn như gamma-lưu huỳnh đơn nghiêng, có thể cho phép phản ứng trạng thái rắn trực tiếp, bỏ qua hoàn toàn "hiệu ứng con thoi".
Trí tuệ nhân tạo (AI) đang ngày càng được sử dụng rộng rãi để tối ưu hóa bối cảnh vật liệu phức tạp này, dự đoán các kết hợp mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa mật độ năng lượng, độ ổn định và tốc độ sạc.
Theo Tiến sĩ Abdollahifar, các nguyên mẫu ban đầu đã chứng minh hiệu suất đầy hứa hẹn, đạt mật độ năng lượng khoảng 2 mAh/cm2 ở tốc độ sạc thực tế.
"Phân tích của chúng tôi cho thấy thời gian sạc nhanh dưới 30 phút, và trong một số trường hợp là dưới 15 phút, là khả thi, đồng thời tăng công suất", ông nói.
"Tuy nhiên, vẫn cần những cải tiến hơn nữa về tải trọng vật liệu và tích hợp cấu trúc để pin Li-S thực sự vượt trội hơn so với các hệ thống Li-Ion".
Minh Đức (Theo Interesting Engineering, TechXplore)
Link nội dung: https://www.thegioitiepthivietnam.com/loai-pin-giup-sac-xe-dien-day-100-chi-trong-12-phut-a113826.html