Dendrite lithium thường phát triển trên cực dương và nếu chúng dài đủ có thể xuyên qua lớp ngăn cách bên trong, dẫn đến đoản mạch và hư hại pin. Đây là phát hiện giúp giải quyết nguyên nhân gây hỏng pin và hiện tượng đoản mạch nguy hiểm có thể xảy ra với pin lithium-ion.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển các nền tảng chuyên dụng để kiểm tra hành vi cơ học của các nhánh tinh thể lithium

ẢNH: Viện Công nghệ New Jersey

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về các nhánh tinh thể này, nhưng hành vi cơ học của chúng trong quá trình phát triển bên trong pin hoạt động vẫn chưa được hiểu rõ. Việc quan sát dendrite rất khó khăn do chúng hình thành ở cấp độ nano và nằm trong các tế bào pin kín. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học từ Mỹ và Singapore đã kết hợp thí nghiệm và mô phỏng để nắm bắt cách các nhánh tinh thể hình thành và hoạt động.

Để kiểm tra cấu trúc, nhóm nghiên cứu đã phát triển các nền tảng thí nghiệm chuyên dụng có khả năng phân lập và thử nghiệm các nhánh tinh thể dendrite từ pin đang hoạt động. Do lithium dễ phản ứng, các mẫu phải được xử lý trong môi trường kín để tránh tiếp xúc với không khí. Nghiên cứu sinh tại Đại học Rice (Mỹ), Boyu Zhang, cho biết: "Chúng tôi đã phát triển các nền tảng chuẩn bị mẫu và đặc tính cơ học tùy chỉnh cho công việc này".

Cấu trúc nhỏ hơn sợi tóc 100 lần có thể làm hỏng pin lithium-ion

Theo báo cáo được công bố trên tạp chí Science, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao để quan sát cách các nhánh tinh thể biến dạng dưới tác động của lực, cho phép phân tích độ bền và hành vi cấu trúc của chúng. Theo phát hiện, các nhánh tinh thể lithium rất nhỏ, mỏng hơn khoảng 100 lần so với chiều rộng của một sợi tóc người và phát triển từ cực dương trong suốt chu kỳ sạc pin. Sự phát triển của chúng đã được liên kết với sự suy giảm hiệu suất pin và các rủi ro an toàn.

Xing Liu, trợ lý giáo sư tại Viện Công nghệ New Jersey (Mỹ), cho biết: "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". Trái với suy nghĩ trước đây rằng các nhánh này mềm và dẻo, nghiên cứu cho thấy chúng thực chất cứng và giòn, dễ gãy dưới tác động của lực.

Khi các nhánh phát triển, chúng được phủ một lớp mỏng gọi là lớp giao diện điện phân rắn (SEI), làm cho chúng cứng hơn và có hình dạng giống như kim. Điều này có thể làm thủng màng ngăn và chất điện phân của pin, từ đó làm tăng nguy cơ đoản mạch. Khi bị vỡ, các mảnh vỡ tích tụ thành lithium chết bên trong pin và làm giảm hiệu suất pin.

Liu nhấn mạnh: "Hiện không có phương pháp thực tế nào để loại bỏ các nhánh tinh thể khỏi một cell pin đang hoạt động". Tuy nhiên, việc hiểu rõ cách các cấu trúc này hình thành và bị phá vỡ có thể giúp các kỹ sư thiết kế ra những loại pin thế hệ tiếp theo an toàn hơn. Những phát hiện từ nghiên cứu cũng có thể định hướng các chiến lược như điều chỉnh vật liệu cực dương hoặc sử dụng hợp kim lithium để hạn chế gãy giòn và sự phát triển của các nhánh tinh thể.

Theo Kiến Văn/Thanh niên

https://thanhnien.vn/nghien-cuu-moi-he-lo-vi-sao-pin-lithium-ion-co-the-hong-dot-ngot-185260315155705521.htm