Pin bộ phận có mặt khắp nơi trong các công nghệ hiện đại và nếu không có sự phát triển của chúng trong vài thập kỷ qua, chúng ta sẽ không đạt được những tiến bộ công nghệ như hiện nay. Có nhiều loại pin mới có mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn nhiều so với pin Li-ion thông thường điển hình như pin lithium nhưng chúng lại mất khá nhiều thời gian để được thương mại hóa phổ biến ở các sản phẩm. Trong bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về lý do vì sao pin lithium chưa được thương mại hóa ở thời điểm hiện tại
Vấn Đề Mà Pin Lithium (Li –S) Gặp Phải
Mặc dù có nhiều loại pin khác nhau hiện nay, pin lithium-ion (Li-ion) là loại pin sạc duy nhất được sử dụng trên quy mô lớn với một số ưu điểm như tính dễ chế tạo, khả năng sử dụng tốt (nhưng không xuất sắc), tương đối an toàn.
Đối với pin Li-S, một vấn đề lớn đó chính là sự hình thành các ion polysulphide bên trong pin dẫn đến giảm hiệu quả và tuổi thọ của pin. ngăn chặn hiệu quả và tuổi thọ có thể sử dụng của pin. Vấn đề này thường được gọi với cái tên "polysulphide shuttle”.
Không giống như pin Li-ion thông thường, các ion di chuyển giữa các điện cực của pin Lithium trải qua các phản ứng bề mặt với các điện cực, thay vì xen kẽ với chúng (quá trình các ion di chuyển qua các lỗ phân tử của điện cực và ở trong điện cực). Những phản ứng này trên bề mặt tạo ra các ion polysulphide trên bề mặt cực âm làm giảm kích thước khi pin được xả. Các phản ứng ban đầu tạo ra Li2S8 trên bề mặt cực âm biến đổi theo thời gian thành Li2S.
Mặc dù đây là cơ chế cơ bản cho phép pin Li-S hoạt động, nhưng việc giải phóng các ion khác nhau vào chất điện phân xung quanh là vấn đề chính khi các ion lưu huỳnh hấp thụ các ion lithium, khiến các phân tử polysulphide bị rò rỉ từ cực âm (trong khi một số vẫn ở lại bề mặt của cực âm). Sự khác biệt chính giữa hai dạng ion polysulphide là những chất bị rò rỉ vào chất điện phân không bị phân hủy hoàn toàn thành các nguyên tố (có thể quay trở lại điện cực tương ứng của chúng) khi pin kết thúc chu kỳ và điều này làm giảm thời gian dài hiệu quả và sự ổn định của pin.
Các ion polysulphide hòa tan trong chất điện phân và điều này cho phép chúng di chuyển giữa hai điện cực. Trong quá trình xáo trộn này, các ion phân tử bị khử ở cực dương thành các chuỗi polysulphide ngắn hơn trước khi di chuyển đến cực âm nơi chúng trở thành chuỗi dài hơn một lần nữa. Bởi vì chúng liên tục di chuyển giữa các điện cực, chúng không bao giờ chuyển trở lại trạng thái trung tính (mà các ion polysulphide bề mặt làm) và trở nên vô dụng khi có liên quan đến các cơ chế sạc và xả, đồng thời giảm số lượng các ion có sẵn để tạo điều kiện chu kỳ sạc và xả của pin.
Vì thế, rất nhiều nỗ lực được thực hiện để chống lại sự vận chuyển của polysulphide bao gồm thay đổi và điều chỉnh chất điện phân, từ đó làm cho các phân tử này khó hình thành hơn trong chất điện phân. Nếu những vấn đề này có thể được loại bỏ hoàn toàn, thì có khả năng chúng ta sẽ thấy sử dụng nhiều hơn pin Li-S sử dụng nhiều hơn trong thương mại. Rất may mắn khi chúng ta đang có những tiến bộ ở cấp độ thử nghiệm.
Tiến Bộ Ở Cấp Độ Nghiên Cứu
Có khá nhiều những nghiên cứu khác nhau giúp cải thiện khả năng hoạt động của pin lithium. Một nghiên cứu gần đây được xuất bản trên ACS Nano bởi He et al vào cuối năm 2019 đã có những tiến bộ để ngăn chặn sự vận chuyển của polysulphide trong thời gian dài.
Nhóm nghiên cứu chỉ cần thêm một lượng nhỏ (4%) phân tử glutamate (một phân tử hữu cơ nhỏ thường được liên kết như một chất dẫn truyền thần kinh trong cơ thể chúng ta) vào một trong những chất điện giải Li-S phổ biến hơn, muối lithium của bis (trifluoromethanesulfonyl) (LiTFSI). Một thay đổi nhỏ như vậy đã giúp pin Li-S có thể hoạt động trong thời gian chu kỳ dài hơn mà không cần tích tụ polysulphide. Điều này là do glutamate có tác dụng đẩy lùi các ion polysulphide, khiến cho các ion polysulphide ít bị rò rỉ từ catốt vào chất điện phân.
Những Nỗ Lực Thương Mại Hóa Pin Lithium
Mặc dù rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện ở cấp độ học thuật, nhưng chỉ đến năm ngoái (2019), Li-S mới bắt đầu được sản xuất công nghiệp trên quy mô lớn. Công ty Oxis Energy có trụ sở tại Vương quốc Anh, là công ty đầu tiên trên thế giới thử và sản xuất Li-S ở quy mô lớn. Thay vì tập trung vào việc ngăn chặn các ion bị rò rỉ ngay từ đầu thay vì bị điện phân ngăn chặn, họ đã không dùng catốt lưu huỳnh nguyên chất mà là một vật liệu lai gồm carbon, lưu huỳnh và chất kết dính polymer có hiệu quả cải thiện so với các điện cực Li-S khác, và chúng được bảo vệ bởi lớp phủ gốm (lớp thụ động) ngăn chặn catốt từ phá vỡ và rò rỉ các ion polysulphide vào chất điện phân xung quanh.
Có thể nói, việc ngăn chặn sự vận chuyển của polysulphide xảy ra trong pin Li-S có thể mở ra rất nhiều cơ hội thương mại cho các loại pin này vì mật độ năng lượng của chúng có thể lớn gấp 5 lần pin Li-ion thương mại hiện nay. Rất nhiều tiến bộ đang được thực hiện trên tất cả các lĩnh vực và nếu nghiên cứu tiếp tục sản xuất pin Li-S ổn định và hiệu quả trong thời gian dài, thì sẽ không lâu nữa chúng ta sẽ thấy chúng được sử dụng thương mại.
>> Các sản phẩm pin bạn có thể tham khảo
Trên đây là bài viết về lý do pin lithium chưa được sử dụng rộng rãi, mong rằng bạn sẽ thấy thích thú với chúng. Nếu cần tìm mua các sản phẩm linh kiện thì các bạn có thể tham khảo và mua Linh Kiện Điện Tử 3M.
