Nhóm nghiên cứu do TS. Jungdon Suk tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Hóa học Hàn Quốc (KRICT) dẫn đầu, đã phát triển công nghệ in chuyển đột phá, tạo ra các lớp mỏng bảo vệ trên bề mặt lithium kim loại. Cụ thể, các tác giả đã chuyển thành công những lớp bảo vệ kết hợp gồm polyme rắn và gốm lên lithium kim loại bằng quy trình không dung môi. Sáng kiến này có triển vọng xử lý hạn chế do dendrite tồn lưu lâu trong pin lithium-kim loại thế hệ mới gây ra.

Không giống các phương pháp phủ ướt thông thường, kỹ thuật này cho phép phủ đồng đều trên diện tích lớn mà không làm hỏng bề mặt lithium phản ứng, đánh dấu một bước tiến lớn hướng tới khả năng thương mại hóa.

Pin lithium-kim loại là hệ thống lưu trữ năng lượng thế hệ mới, thay thế than chì bằng lithium kim loại làm cực dương. Với dung lượng theo lý thuyết cao gấp mười lần pin lithium-ion thông thường, cực dương lithium kim loại là vật liệu chính trong pin thể rắn và pin lithium-lưu huỳnh, vốn đòi hỏi mật độ năng lượng cao.

Tuy nhiên, nguy cơ hình thành dendrite trong chu kỳ sạc/xả làm dấy lên lo ngại về tính an toàn, bao gồm nguy cơ đoản mạch và hỏa hoạn, đồng thời hạn chế tuổi thọ pin. Hơn nữa, các quy trình phủ ướt truyền thống, vốn sử dụng dung môi hữu cơ, tạo ra tạp chất và làm hỏng bề mặt, gây khó khăn cho hoạt động sản xuất và thương mại hóa quy mô lớn.

Để xử lý những thách thức này, nhóm nghiên cứu đã phát triển hai lớp bảo vệ: lớp kép gồm nhôm oxit (Al₂O₃) và vàng (Au), và lớp bảo vệ kết hợp các thành phần gốm (Al-LLZO) và polymer. Sau đó, các lớp bảo vệ này được cán mỏng lên lithium kim loại bằng kỹ thuật in chuyển nhiệt dạng cuộn. Đây là lần đầu tiên phương pháp được ứng dụng trong lĩnh vực này.

Kỹ thuật mới tạo lớp bảo vệ trên chất nền riêng biệt và sau đó chuyển nó lên lithium bằng áp suất, loại bỏ nhu cầu sử dụng dung môi và giảm thiểu làm hỏng lithium, đồng thời cải thiện tính đồng nhất và khả năng tái tạo quy trình.

Trong các nghiên cứu trước đây, lớp kép Al2O3-Au đã ức chế hiệu quả sự phát triển của dendrite và duy trì chu kỳ ổn định bằng cách tận dụng sức mạnh cơ học và giảm điện trở giao diện. Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên in chuyển nhiệt được xem là giải pháp xử lý bất ổn giao diện và những hạn chế của lớp phủ ướt.

Trong nghiên cứu, các tác giả đã chứng minh phương pháp chuyển các lớp bảo vệ kết hợp linh hoạt, dẫn điện ion trên diện tích 245 × 50 mm với độ dày chỉ 5 μm. Các lớp bảo vệ kết hợp này ức chế sự phát triển của dendrite và tạo ra dòng ion lithium đồng đều tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân, cho phép duy trì hiệu suất chu kỳ ổn định. Việc chuyển đồng đều các màng bảo vệ diện tích lớn cho thấy cả sự tiến bộ công nghệ lẫn khả năng mở rộng quy mô thương mại.

Trong các thử nghiệm pin túi, cực dương lithium được phủ lớp bảo vệ kết hợp duy trì 81,5% dung lượng sau 100 chu kỳ sạc/xả, với hiện tượng quá áp thấp ở mức 55,34 mV và hiệu suất Coulomb cao là 99,1% - cao hơn gấp đôi độ ổn định của pin lithium. Ngay cả trong điều kiện tốc độ cao, xả hoàn toàn pin trong vòng chín phút, các pin vẫn duy trì 74,1% dung lượng ban đầu, thể hiện đặc tính chu kỳ nhanh, ổn định và hiệu quả.

Nhóm nghiên cứu hy vọng đổi mới này sẽ thúc đẩy sử dụng pin lithium-kim loại trong các ứng dụng năng lượng cao như xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS). Hơn nữa, công nghệ có thể mở rộng sang pin thể rắn và pin lithium-lưu huỳnh, góp phần thúc đẩy sự phát triển của các nền tảng pin thế hệ mới.

N.P.D (NASTIS), theo Techxplore, 7/2025