Các nhà khoa học do GS Kang Kisuk thuộc Trung tâm Nghiên cứu Hạt nano thuộc Viện Khoa học Cơ bản (IBS) Hàn Quốc dẫn đầu đã công bố một phát hiện đột phá lớn trong lĩnh vực pin thể rắn thế hệ tiếp theo. Những phát hiện mới của nhóm nghiên cứu cho phép tạo ra pin chất điện phân thể rắn gốc clorua (ion clo) mới có tính dẫn ion đặc biệt cao.
Mối lo ngại chủ yếu đối với các loại pin thương mại hiện nay là sử dụng chất điện phân lỏng, có nguy cơ cháy nổ. Vì nguyên nhân này, tiến trình nghiên cứu phát triển các chất điện phân trạng thái rắn an toàn cháy nổ có ý nghĩa quan trọng, nền tảng cho sự phát triển công nghệ pin thể rắn và ngành công nghiệp xe điện.
Xu hướng chung của thế giới trong thế kỷ 21 là nhanh chóng chuyển đổi các phương tiện giao thông động cơ đốt trong sang các phương tiện chạy điện hoặc nhiên liệu phi carbon như hydro, hướng tới ngành công nghiệp giao thông bền vững. Sự chuyển đổi này trở thành động lực thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu phát triển công nghệ pin, tập trung vào pin thể rắn bền vững, an toàn và ổn định.
Để pin thể rắn trở thành phổ dụng cho tất cả các trang thiết bị điện sử dụng hàng ngày, bao gồm cả xe điện, vấn đề quan trọng đặt ra là phát triển chất điện phân, sử dụng những vật liệu có độ dẫn ion cao, độ ổn định hóa học và điện hóa mạnh mẽ đồng thời có tính linh hoạt cơ học. Những nghiên cứu trước đây đã thành công chế tạo được các chất điện phân thể rắn gốc sunfua và oxit có độ dẫn ion cao, nhưng không có vật liệu nào trong những chất điện phân này đáp ứng đầy đủ tất cả những yêu cầu kỹ thuật quan trọng này.
Trước đây, các nhà khoa học đã khám phá các chất điện phân rắn gốc clorua, được biết đến với tính dẫn ion vượt trội, tính linh hoạt cơ học và độ ổn định ở điện áp cao. Những đặc tính này khiến nhiều nhà khoa học suy đoán, chất điện phân rắn trên cơ sở clo là ứng viên sáng giá nhất cho pin thể rắn. Nhưng những hy vọng này không trở thành hiện thực vì pin clorua được coi là không thực tế do phụ thuộc nhiều vào những kim loại đất hiếm đắt tiền như các nguyên tố yttrium, scandium và lanthanide, làm thành phần thứ cấp.
Để giải quyết những trở ngại này, nhóm nhà khoa học IBS đã phân tích kỹ lưỡng sự phân bố các ion kim loại trong chất điện phân clorua. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện được, nguyên nhân chất điện phân clorua lượng giác (trigonal) có thể đạt được độ dẫn ion thấp do có sự thay đổi cách sắp xếp ion kim loại trong cấu trúc.
Lần đầu tiên nhóm nghiên cứu thử nghiệm lý thuyết này trên lithium yttri clorua, một hợp chất clorua kim loại lithium phổ biến. Các nhà khoa học đã phát hiện, khi những ion kim loại đặt gần đường đi của các ion lithium, lực tĩnh điện gây ra sự cản trở chuyển động của các ion lithium. Ngược lại, nếu tỷ lệ chiếm giữ của các ion kim loại trong chất điện phân rắn thấp, hành lang di chuyển của các ion lithium sẽ quá hẹp, cản trở khả năng di chuyển của các ion này.
Trên cơ sở những hiểu biết cấp nguyên tử này, nhóm nghiên cứu đưa ra các phương án thiết kế chất điện phân theo hướng giảm thiểu những yếu tố cản trở chuyển động của các ion lithium. Sau nhiều lần thử nghiệm bằng mô phỏng máy tính, các nhà khoa học đã phát triển thành công chất điện phân rắn có độ dẫn ion cao. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh trên thực tế thành công chiến lược, chế tạo pin thể rắn lithium-kim loại-clorua trên cơ sở nguyên tố zirconi, rẻ hơn nhiều so với pin clorua sử dụng kim loại đất hiếm.
Đây cũng là lần đầu tiên chứng minh được bằng thực nghiệm vị thế quan trọng của sự sắp xếp các ion kim loại đối với độ dẫn ion của vật liệu.
Nghiên cứu này làm sáng tỏ vai trò thường bị bỏ qua sự phân bố ion kim loại trong độ dẫn ion của chất điện phân rắn gốc clorua. Kết quả nghiên cứu của Trung tâm IBS mở đường cho sự phát triển những chất điện phân thể rắn trên cơ sở nguyên tố clo khác nhau, đẩy nhanh hơn nữa quá trình thương mại hóa pin thể rắn có giá thành phù hợp và an toàn trong lưu trữ năng lượng cho xe điện.
Tác giả nghiên cứu GS Kang Kisuk cho biết: "Chất điện phân rắn trên cơ sở clo mới có khả năng vượt qua những hạn chế của chất điện phân rắn trên cơ sở lưu huỳnh (sunfua) và oxit thông thường, giúp những công trình nghiên cứu và phát triển tiến gần hơn đến khả năng phổ dụng pin thể rắn cho các thiết bị điện dân dụng như xe điện".
Theo Scitech Daily
