Pin xe điện có khả năng tự phục hồi ở trạng thái nghỉ

Pin kim loại lithium (Lithium-metal battery) chưa được áp dụng trên xe điện và xe hybrid, dù sở hữu mật độ năng lượng cao và trọng lượng nhẹ hơn so với pin lithium-ion.

Bất chấp những ưu điểm này, pin kim loại lithium vẫn có một nhược điểm cố hữu: mức độ xuống cấp nhanh chóng chỉ sau vài chu kỳ sạc, từ đó giảm hiệu quả thực tế để được ứng dụng cho xe điện.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới của Đại học Stanford chỉ ra rằng việc để pin ở trạng thái nghỉ có thể đảo ngược tình trạng xuống cấp đủ nhanh, cho phép loại pin này trở thành lựa chọn khả thi trong thực tế. Từ đây, những kỳ vọng về một bước tiến mới trong công nghệ pin một lần nữa xuất hiện.

Sự khác biệt chính giữa pin kim loại lithium và pin lithium-ion nằm ở cực dương. Pin lithium-ion tiêu chuẩn - loại pin thường thấy trên xe điện ở thời điểm hiện tại - có cực dương làm bằng graphite, cực âm oxit kim loại lithium và chất điện phân lỏng nằm giữa. Các ion lithium được vận chuyển qua chất điện phân giữa hai cực.

Tuy nhiên, pin kim loại lithium thay thế cực dương graphite bằng kim loại lithium mạ điện với khối lượng nhẹ hơn và mật độ năng lượng cao gấp hai lần.

Philaphon Sayavong, đồng tác giả và nghiên cứu sinh tiến sĩ về hóa học, cho biết: “Một chiếc xe sử dụng pin kim loại lithium sẽ có phạm vi vận hành gấp đôi so với một chiếc xe trang bị pin lithium-ion có kích thước tương đương.” Tầm hoạt động được cải thiện nhờ mật độ năng lượng tăng lên và trọng lượng giảm xuống.

Tuy nhiên, nhược điểm của loại pin này là khi các ion lithium truyền từ cực dương kim loại sang cực âm, một số ion đó bị mắc kẹt tại pha trung gian với chất điện phân rắn (Solid Electrolyte Interphase - SEI), tương tự một ma trận xốp tại vị trí cực dương và chất điện phân gặp nhau.

“Ma trận SEI về cơ bản là chất điện phân bị phân hủy”, theo lời Wenbo Zhang, đồng tác giả và nghiên cứu sinh tiến sĩ về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại đại học Stanford. “Chất này bao quanh các mảnh kim loại lithium bị tách ra khỏi cực dương và ngăn chúng tham gia vào phản ứng điện hóa. Vì lý do đó, phần lithium bị cô lập có thể được coi là vô tác dụng.”

Theo ngôn ngữ thông thường, việc sạc và xả pin kim loại lithium liên tục có thể nhanh chóng làm giảm dung lượng và phạm vi hoạt động. Dù vậy, các nhà nghiên cứu tại Stanford phát hiện rằng khi được xả hoàn toàn và không có dòng điện chạy qua, pin kim loại lithium sẽ bắt đầu “tự phục hồi”.

Bên cạnh đó, quá trình hồi phục cũng không mất nhiều thời gian và có thể bắt đầu chỉ một giờ sau khi pin nghỉ.

Sayavong chia sẻ: “Chúng tôi phát hiện ra rằng nếu pin ở trạng thái xả điện chỉ trong một giờ, một số ma trận SEI bao quanh lithium chết sẽ tan ra. Vì vậy, khi sạc lại pin, lượng lithium này sẽ kết nối lại với cực dương do khối lượng chất rắn cản đường giảm đi.”

Việc để pin ở trạng thái nghỉ trong một vài giờ không thực tế, nhưng vì gói pin được tạo thành từ hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn cell riêng lẻ nên phần mềm quản lý pin có thể được điều chỉnh để cho phép một số cell xả hết và nghỉ, năng lượng cần thiết sẽ đến từ những cell khác.

Ngoài ra, nếu không sử dụng xe trong một vài ngày, chủ xe có thể thiết lập và cài đặt để pin tự nghỉ hồi phục. Tính năng này không yêu cầu đầu tư thêm nhiều vào quá trình phát triển pin kim loại lithium ngoài việc bổ sung thêm phần mềm quản lý pin.

Cần lưu ý rằng hành vi này chỉ có lợi đối với pin kim loại lithium. Nếu áp dụng với xe điện hiện tại, điện thoại thông minh hoặc bất kỳ thiết bị nào sử dụng pin lithium-ion thông thường, tuổi thọ pin sẽ giảm đáng kể bởi tính chất hóa học của loại pin này không hoạt động hiệu quả khi ở trạng thái sạc hoặc xả toàn bộ.

Để tìm ra phương pháp chế tạo pin kim loại lithium và quy trình nghỉ hồi phục, tăng tính khả thi trong điều kiện sử dụng thực tế sẽ yêu cầu thêm nhiều nghiên cứu.

Dù vậy, Zhang tin rằng nhờ áp dụng kỹ thuật này, những loại pin sạc nhanh hơn với trọng lượng nhẹ hơn và phạm vi hoạt động lớn hơn sẽ xuất hiện trong tương lai. “Chúng tôi tin rằng trong một số loại pin kim loại lithium nhất định, trạng thái nghỉ hồi phục có thể giúp tăng đáng kể tuổi thọ của pin xe điện.”