Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Paul Scherrer (PSI), Thụy Sỹ đã phát triển được một quy trình mới để tăng hiệu suất điện hóa của pin lithium-ion trong xe điện, hướng tới giảm khí thải carbon. Theo đó, một lớp phủ bảo vệ bề mặt cực âm cho phép pin hoạt động với điện áp cao lên đến 4,8V.

Lớp phủ bảo vệ mới

Pin lithium-ion hoạt động bằng cách di chuyển các ion lithium giữa cực âm và cực dương. Để tăng mật độ năng lượng, cần để cho pin hoạt động ở mức điện áp cao hơn. Tuy nhiên, điều đó có thể làm hỏng cực âm, dẫn đến giảm tuổi thọ pin.

Pin lithium-ion hoạt động ở mức điện áp trên trên 4,3V, sẽ gây ra hiện tượng xuống cấp mạnh mẽ ở giao diện cực âm - chất điện phân. Điều này làm tăng điện trở và giảm dung lượng pin. Do đó, pin thương mại hiện bị giới hạn ở điện áp hoạt động tối đa là 4,3 V. Vì thế, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để ổn định bề mặt cực âm bằng lớp phủ mỏng và đồng nhất.

Đối với lớp phủ bảo vệ, nghiên cứu sử dụng trifluoromethane (CHF3), một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nhựa. Ở nhiệt độ 300°C, CHF3 phản ứng với lớp lithium carbonate trên cực âm để chuyển đổi nó thành lithium fluoride (LiF).

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành các thử nghiệm điện hóa điện áp cao để xác định hiệu quả của lớp phủ. Kết quả chứng minh tính ổn định của lớp phủ, cho phép hoạt động ở điện áp cao tới 4,5 V và thậm chí 4,8 V trong khi vẫn bảo vệ hiệu quả vật liệu cực âm. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng pin có lớp phủ hoạt động tốt hơn pin có cực âm không được bảo vệ dựa vào các chỉ số chính. Ví dụ, trở kháng, khả năng chống lại chuyển động của các ion lithium tại giao diện cực âm, thấp hơn 30% sau 100 chu kỳ trong pin có lớp phủ.

Duy trì dung lượng cao

Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá khả năng duy trì dung lượng, chỉ số chính về khả năng lưu trữ năng lượng của pin trong nhiều chu kỳ sạc - xả. Duy trì dung lượng cao thể hiện khả năng cung cấp năng lượng liên tục sau khi pin được sử dụng nhiều lần.

Về khía cạnh này, cực âm có lớp phủ hoạt động tốt hơn nhiều do vẫn duy trì hơn 94% dung lượng ban đầu sau 100 chu kỳ, trong khi ở pin không có lớp phủ, tỷ lệ này chỉ ở mức 80%. Quy trình tạo lớp phủ mới cho cực âm có thể làm tăng đáng kể mật độ năng lượng của nhiều loại pin.

Quy trình mới không chỉ cải thiện hiệu suất pin, mà còn sử dụng hiệu quả khí nhà kính CHF3 để tạo ra lớp phủ bảo vệ cực âm của pin, giảm thiểu tác động đến môi trường, góp phần đẩy mạnh phát triển nền kinh tế bền vững và tuần hoàn.

N.P.D (NASATI), theo Interestingengineering, 1/2025