Hiện nay, pin lithium-ion chủ yếu sử dụng chất điện giải dạng lỏng, dễ gây cháy nổ. Pin thể rắn ra đời với việc thay thế thành phần này bằng chất điện giải rắn, an toàn và ổn định hơn. Tuy nhiên, quá trình sản xuất các lớp chất điện giải rắn mỏng lại gặp không ít thách thức.
Mới đây, nhóm nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Điện tử và Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) đã phát triển một giải pháp đột phá: màng điện giải rắn siêu mỏng chỉ dày 18 micromet - gần tương đương với độ dày của màng ngăn trong pin hiện tại.
Đặc biệt, nhóm nghiên cứu cũng đã chứng minh tính khả thi của công nghệ này khi chế tạo thành công pin dạng túi (pouch cell) sử dụng màng mới và cho thấy nó hoạt động hiệu quả, mở ra tiềm năng thương mại hóa.
Màng điện giải rắn siêu mỏng
Các nhà khoa học đã tạo ra màng điện giải rắn cực mỏng (18µm) bằng cách sử dụng chất kết dính đặc biệt và quy trình khô. Loại chất kết dính này có khả năng "xơ hóa" - tức là hình thành các sợi siêu nhỏ khi chịu tác động cơ học.
Nhờ vậy, nhóm nghiên cứu đã giảm đáng kể thể tích của pin, đồng thời phát triển thành công pin thứ cấp thể rắn hoàn toàn với mật độ năng lượng cao và hiệu suất ấn tượng.
Công nghệ này giúp tăng khả năng lưu trữ năng lượng lên đến 10 lần so với các pin sử dụng màng điện giải rắn dày 1 mm trước đây.
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng kích thước phân tử của chất kết dính ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ liên kết và độ bền của màng, yếu tố then chốt để tạo ra màng siêu mỏng nhưng chắc chắn. Phát hiện này mang đến công thức chuẩn giúp các nhà sản xuất tạo ra màng điện giải chất lượng cao với chi phí hợp lý, chỉ bằng cách tối ưu lượng chất kết dính.
"Nhờ hiểu rõ quá trình xơ hóa của polymer kết dính, chúng tôi đã giải quyết được bài toán sản xuất màng điện giải rắn siêu mỏng, một thách thức lớn từ trước đến nay, chỉ bằng một quy trình đơn giản và nhanh chóng," ông Shin Dong Ok - nghiên cứu chính tại ETRI, cho biết.
Không sử dụng dung môi độc hại
Pin thể rắn được đánh giá an toàn hơn pin truyền thống nhờ thay thế chất lỏng dễ cháy bằng vật liệu rắn, từ đó giảm thiểu nguy cơ cháy nổ và rò rỉ.
Trong cấu trúc pin thể rắn, màng điện giải đóng vai trò cực kỳ quan trọng: vừa dẫn ion, vừa ngăn cách hai điện cực tiếp xúc trực tiếp với nhau.
Trong khi chất điện giải lỏng được bơm trực tiếp vào trong pin, chất điện giải rắn lại được tạo thành màng từ trước và sau đó lắp ráp vào pin trong quá trình sản xuất.
Đáng chú ý, quy trình sản xuất khô đối với màng điện giải rắn cũng loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng dung môi độc hại, giúp bảo vệ môi trường và tạo ra những màng có độ dẫn điện tốt hơn, đồng thời kiểm soát độ dày chính xác hơn.
Thành tựu quan trọng nhất của nhóm nghiên cứu là thiết lập được tiêu chuẩn cụ thể cho quy trình trộn cơ học (shearing) - yếu tố then chốt trong sản xuất pin thể rắn bằng phương pháp khô.
Công nghệ này được kỳ vọng sẽ mở đường cho sự ra đời của những dòng pin thể rắn nhỏ gọn, nhẹ hơn và có mật độ năng lượng cao hơn nhờ sử dụng màng siêu mỏng giúp tăng cường khả năng di chuyển ion.
“Việc thành công trong sản xuất màng điện giải rắn quy mô lớn với độ mỏng tương đương màng ngăn pin hiện tại sẽ góp phần cải thiện đáng kể mật độ năng lượng, qua đó tăng khả năng thương mại hóa cho pin thể rắn thứ cấp với mức giá cạnh tranh,” ông Park Young Sam, trưởng nhóm nghiên cứu tại Bộ phận Vật liệu Thông minh của ETRI, chia sẻ trong thông cáo báo chí.
Mrigakshi Dixit là một nhà báo khoa học đam mê thám hiểm không gian, sinh học và công nghệ đổi mới. Các bài viết của cô đã xuất hiện trên nhiều ấn phẩm uy tín như Nature India, Supercluster,... Bài viết được đăng trên Interesting Engineering vào ngày 18/03/2025.
Interesting Engineering là một trang tin tức quốc tế uy tín chuyên cập nhật những thông tin mới nhất về khoa học, công nghệ, kỹ thuật và sáng tạo. Được thành lập vào năm 2011, trang web nhanh chóng trở thành nguồn tham khảo quen thuộc của những người đam mê công nghệ, kỹ sư, nhà nghiên cứu và cả độc giả phổ thông yêu thích khám phá những phát minh đột phá trên thế giới.
Biên dịch: Thu Hoài
