Pin lithium kim loại thế hệ mới của Trung Quốc hứa hẹn giúp xe điện tăng phạm vi 50%

Pin lithium kim loại là sử dụng lithium kim loại nguyên chất làm cực âm (anode), thay vì than chì (graphite) như pin lithium-ion phổ biến trên xe điện và thiết bị điện tử hiện nay. Ảnh: Large Battery

Theo công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications, nghiên cứu do Phòng thí nghiệm Tianmushan phối hợp với Đại học Thanh Hoa thực hiện đã chế tạo thành công pin lithium kim loại dạng túi (pouch cell) có độ ổn định cao và đạt mật độ năng lượng ở mức trên 600 Wh/kg.

Nhóm nghiên cứu cho biết, kết quả đạt được trong bối cảnh nhu cầu đối với các phương tiện thuộc "nền kinh tế tầm thấp" như drone và eVTOL tăng mạnh. Tuy nhiên, thời gian bay của các thiết bị này vẫn bị giới hạn do công nghệ pin.

Kết quả nghiên cứu mới được kỳ vọng sẽ mở ra cơ hội kéo dài thời gian hoạt động cho máy bay không người lái (drone), máy bay cất hạ cánh thẳng đứng chạy điện (eVTOL), cũng như cải thiện phạm vi hoạt động cho ô tô điện và các phương tiện điện thế hệ mới khác.

Hiện nay, phần lớn pin lithium-ion thương mại sử dụng cực dương than chì đã tiến gần giới hạn lý thuyết về mật độ năng lượng, khoảng 350 Wh/kg, khiến việc kéo dài quãng đường hoặc thời gian hoạt động trở nên khó khăn.

Pin lithium kim loại từ lâu được xem là một trong những hướng phát triển tiềm năng nhất nhờ sử dụng cực dương bằng lithium kim loại có khả năng lưu trữ năng lượng vượt trội. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn gặp nhiều rào cản khi rất khó cân bằng giữa mật độ năng lượng cao, tuổi thọ, độ an toàn và khả năng sạc xả nhiều lần.

Trong quá trình hoạt động ở điện áp cao, chất điện phân dễ bị phân hủy, đồng thời hình thành các tinh thể lithium dạng nhánh (dendrite), làm tăng nguy cơ đoản mạch và mất an toàn.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại phụ gia điện phân mới dựa trên cấu trúc dung môi có khả năng liên kết mạnh. Giải pháp này tạo ra lớp màng bảo vệ mỏng nhưng bền trên bề mặt cực dương và cực âm, giúp giảm hư hại vật liệu trong quá trình sạc xả ở điện áp cao, đồng thời hạn chế sự hình thành tinh thể lithium, cải thiện khả năng vận chuyển ion và nâng cao độ an toàn của pin.

Theo kết quả thử nghiệm, mẫu pin dung lượng 10 Ah sử dụng vật liệu cathode niken hàm lượng cao đạt mật độ năng lượng 550,7 Wh/kg và vẫn duy trì 80% dung lượng sau 180 chu kỳ sạc. Khi kết hợp với vật liệu cathode giàu mangan và lithium, mật độ năng lượng tăng lên 602,5 Wh/kg, cao hơn hơn 50% so với các loại pin động lực đang được sử dụng phổ biến trên xe điện hiện nay.

Dù vậy, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh công nghệ vẫn đang trong giai đoạn phòng thí nghiệm và cần tiếp tục hoàn thiện trước khi có thể thương mại hóa trên quy mô lớn. Việc mở rộng sản xuất, tối ưu chi phí cũng như kiểm chứng độ bền trong điều kiện sử dụng thực tế vẫn là những thách thức cần được giải quyết.

Các chuyên gia nhận định nếu được thương mại hóa thành công, pin lithium kim loại có thể tạo ra bước nhảy vọt cho nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là hàng không điện và xe điện.

Hiện CATL - nhà sản xuất pin lớn nhất thế giới - đã phát triển pin ngưng tụ (condensed matter battery) dành cho eVTOL với mật độ năng lượng khoảng 350 Wh/kg, vốn được xem là ngưỡng cao của pin lithium-ion hiện nay. CATL cũng đang nghiên cứu pin lithium-không khí có mật độ năng lượng lý thuyết lên tới 12.000 Wh/kg, tương đương mức năng lượng của xăng, song công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu.

(tổng hợp)