Một phát hiện chấn động từ các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và Đại học Chicago (Mỹ) vừa vén màn bí mật về một "kẻ thù giấu mặt" đang âm thầm phá hủy pin xe điện từ bên trong. Nghiên cứu này không chỉ giải thích lý do pin bị chai hay cháy nổ, mà còn đảo lộn hoàn toàn những quy tắc thiết kế pin mà giới công nghệ tin tưởng bấy lâu nay.
Ảnh minh họa.
Khi công nghệ mới vẫn mắc "bệnh" cũ
Trong nỗ lực tìm kiếm loại pin bền bỉ hơn, ngành công nghiệp xe điện đã chuyển dịch từ vật liệu đa tinh thể (polycrystalline) sang đơn tinh thể (single-crystal) cho cực dương. Lý thuyết rất đơn giản là vật liệu cũ gồm nhiều hạt nhỏ ghép lại nên dễ nứt vỡ khi sạc/xả. Vật liệu mới là một khối thống nhất, không có ranh giới hạt, nên sẽ không bị nứt.
Tuy nhiên, thực tế lại rất phũ phàng, khi pin đơn tinh thể vẫn xuống cấp, dung lượng vẫn sụt giảm nhanh chóng. "Chúng tôi phát hiện ra rằng các quy tắc thiết kế áp dụng cho vật liệu cũ đã bị áp dụng sai cho vật liệu mới", tiến sĩ Jing Wang, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết.
"Vết nứt" không đến từ bên ngoài
Sử dụng tia X synchrotron đa quy mô và kính hiển vi điện tử siêu phân giải, nhóm nghiên cứu đã nhìn thấy điều chưa từng thấy. Đó là sự phá hủy không diễn ra ở giữa các hạt, mà xảy ra ngay bên trong hạt đơn tinh thể.
Các phản ứng hóa học diễn ra không đồng đều bên trong tinh thể tạo ra "ứng suất nội tại" (internal stress). Hãy tưởng tượng nó giống như một khối đá bị nung nóng không đều, tự sinh ra lực ép và tự nứt vỡ từ bên trong. Khi vết nứt xuất hiện, dung dịch điện phân rò rỉ vào, gây ra phản ứng phụ, giải phóng oxy và dẫn đến nguy cơ cháy nổ.
Điểm thú vị nhất của nghiên cứu này là nó lật ngược hoàn toàn hiểu biết về vai trò của các nguyên tố hóa học trong pin:
- Ở pin đời cũ: Coban là kẻ gây nứt vỡ, Mangan giúp ổn định.
- Ở pin đời mới (đơn tinh thể): Mọi thứ đảo ngược. Mangan lại chính là thủ phạm gây hư hỏng cơ học, trong khi Coban lại giúp pin bền hơn và kéo dài tuổi thọ.
Phát hiện này đặt ra một bài toán khó cho ngành công nghiệp xe điện, vốn đang cố gắng loại bỏ Coban vì chi phí đắt đỏ.
Các nhà khoa học tìm ra tương lai mới cho ngành xe điện.
Giáo sư Khalil Amine, Nghiên cứu viên Ưu tú tại Argonne, khẳng định: "Nếu người dùng không tin tưởng pin an toàn và bền bỉ, họ sẽ không chọn xe điện".
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology này được xem là "bản đồ kho báu" giúp các kỹ sư thiết kế lại vật liệu pin. Bằng việc hiểu rõ cơ chế "tự nứt" này, thế hệ pin tiếp theo hứa hẹn sẽ an toàn hơn, tuổi thọ cao hơn và thực sự giúp xe điện chiếm lĩnh thị trường.
