Một nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã phát triển loại chất kết dính polymer lai tác động kép (Dual-Acting Hybrid Polymer - DHP), được thiết kế dành cho các điện cực pin lithium-ion dạng màng dày. Các nhà khoa học tại Đại học Sungkyunkwan và Đại học Quốc gia Seoul cho biết vật liệu mới có thể giúp tăng mật độ năng lượng đồng thời kéo dài tuổi thọ của pin.
Công nghệ này nhằm giải quyết một vấn đề tồn tại lâu nay khi các nhà sản xuất muốn chế tạo điện cực dày hơn để tăng dung lượng pin cho xe điện và các thiết bị như smartphone. Khi lớp điện cực trở nên dày, chất kết dính truyền thống có xu hướng dịch chuyển trong quá trình sấy, khiến cấu trúc điện cực mất ổn định và làm suy giảm hiệu suất.
Trong thử nghiệm, chất kết dính DHP mới cho khả năng bám dính cao gần gấp đôi so với chất kết dính PVDF (polyvinylidene fluoride) vốn được sử dụng phổ biến trong pin lithium-ion.
Kết hợp hai vật liệu
Nỗi lo hết pin giữa đường vẫn là một trong những rào cản đối với xe điện. Để đưa quãng đường di chuyển lên trên 400 dặm (hơn 640 km) mỗi lần sạc, các nhà sản xuất pin đang tìm cách tăng độ dày của lớp điện cực, qua đó đưa nhiều vật liệu hoạt tính có mật độ năng lượng cao, chẳng hạn nickel, vào bên trong pin.
Nhưng khi điện cực trở nên dày hơn, một vấn đề nghiêm trọng xuất hiện trong quá trình sản xuất.
Để tạo điện cực, nhà sản xuất phủ một hỗn hợp dạng lỏng lên vật liệu nền rồi đưa vào công đoạn sấy. Trong hỗn hợp này có chất kết dính PVDF, đóng vai trò như một loại "keo" giúp giữ các thành phần của điện cực liên kết với nhau.
Tuy nhiên, khi lớp vật liệu dày lên và bắt đầu khô, PVDF có xu hướng di chuyển về phía bề mặt thay vì phân bố đồng đều. Hệ quả là điện cực dễ nứt, bong tróc hoặc vỡ vụn, đồng thời khả năng dẫn điện cũng suy giảm.
Đây là một trong những trở ngại khiến việc chế tạo điện cực dày trở nên khó khăn. Những viên pin được sản xuất theo cách này có thể xuống cấp nhanh chóng chỉ sau một số chu kỳ sạc.
"Trước đây, việc tăng độ dày và kích thước điện cực bị giới hạn bởi các vấn đề liên quan đến chất kết dính và quy trình xử lý, qua đó hạn chế hiệu suất tổng thể của pin. Chúng tôi đã vượt qua trở ngại này bằng cách kết hợp hiệu quả ưu điểm của spandex và poly(acrylic acid)", Ki-Jae Kim, giáo sư tại Đại học Sungkyunkwan và là trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết.
Giải pháp của nhóm nghiên cứu đến từ việc kết hợp hai vật liệu có những đặc tính gần như bổ trợ cho nhau: spandex (SPDX) và polyacrylic acid (PAA). Hỗn hợp này được đặt tên là Dual-Acting Hybrid Polymer, hay DHP.
Spandex mang lại độ đàn hồi và tính linh hoạt cho chất kết dính. Đặc tính co giãn cao giúp điện cực dày có khả năng chịu biến dạng tốt hơn, hạn chế nguy cơ nứt hoặc gãy khi chịu lực.
Trong khi đó, PAA đảm nhiệm vai trò tạo liên kết hóa học bền vững hơn. Các phân tử PAA có thể hình thành những liên kết chặt chẽ với các thành phần bên trong điện cực, giúp cấu trúc ổn định hơn.
Đáng chú ý, trong những chu kỳ sạc đầu tiên, chất kết dính lai còn có thể tự hình thành một lớp giao diện đặc biệt với lithium. Lớp này tạo điều kiện để các ion lithium di chuyển nhanh hơn xuyên qua cấu trúc điện cực dày đặc.
Tiềm năng trong thử nghiệm
Các kết quả thử nghiệm cho thấy sự khác biệt khá rõ rệt. Chất kết dính DHP mới có độ bám dính gần gấp đôi so với PVDF truyền thống.
Trong thử nghiệm với các cell pin dạng túi (pouch cell) sử dụng vật liệu thương mại, những viên pin điện cực dày dùng chất kết dính thông thường bắt đầu suy giảm nghiêm trọng sau khoảng 95 chu kỳ sạc.
Trong khi đó, các pouch cell sử dụng chất kết dính có thành phần spandex vẫn duy trì 86,8% dung lượng ban đầu sau hơn 200 chu kỳ.
Việc kéo dài số chu kỳ hoạt động đồng nghĩa với khả năng cải thiện đáng kể tuổi thọ sử dụng của pin.
Điểm đáng chú ý nhất đối với ngành xe điện không chỉ nằm ở hiệu quả của loại chất kết dính mới, mà còn ở cách nó có thể được đưa vào sản xuất.
Nhiều công nghệ pin thế hệ mới đòi hỏi các nhà sản xuất phải xây dựng nhà máy hoàn toàn mới, đầu tư hệ thống xử lý khô đắt tiền hoặc thay đổi đáng kể dây chuyền và thiết bị hiện có.
DHP không yêu cầu những thay đổi như vậy.
Theo nhóm nghiên cứu, chất kết dính mới có thể được tích hợp trực tiếp vào các dây chuyền sản xuất điện cực dạng ướt đang được sử dụng phổ biến. Điều này đồng nghĩa các nhà sản xuất có thể thay thế loại "keo" hóa học hiện tại mà không cần đầu tư thêm máy móc mới hay dừng toàn bộ dây chuyền.
"Công nghệ chất kết dính này có khả năng thích ứng cao với công nghiệp vì có thể sử dụng trên các dây chuyền sản xuất ướt hiện có mà không cần chuyển sang công nghệ xử lý khô, vốn đang nhận được nhiều sự quan tâm như một phương pháp sản xuất pin thế hệ tiếp theo. Chúng tôi kỳ vọng công nghệ này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc kéo dài quãng đường di chuyển của các thế hệ xe điện tương lai", ông Kim nhận định.
Theo IE
