Phát hiện phương pháp bất ngờ giúp tăng gấp rưỡi tuổi thọ pin Li-ion

Hạn chế lớn của các loại pin Li-ion hiện nay là tuổi thọ không quá dài và sau mỗi lần sạc-xả, khả năng giữ năng lượng của chúng lại thấp đi một chút và bắt buộc phải thay thế sau một khoảng thời gian.

Các nhà nghiên cứu cho biết trong một nghiên cứu trên tạp chí Joule rằng việc sạc pin Li-ion ở nhiệt độ hoặc dòng điện cao trước khi chúng lên kệ có thể kéo dài tuổi thọ trung bình thêm 50%.

Pin Li-ion thông thường có một điện cực dương và một điện cực âm trong dung dịch điện phân chứa ion lithium. Khi bạn sạc pin, các ion lithium di chuyển vào điện cực âm. Khi sử dụng pin và xả hết điện tích, các ion lithium di chuyển ra khỏi điện cực âm và vào điện cực dương. Dòng ion qua lại tạo điều kiện cho dòng điện cung cấp năng lượng cho thiết bị.

Pin Li-ion mới được xả hoàn toàn - điện cực dương chứa đầy lithium và điện cực âm có nhiều không gian để các ion lithium chảy vào. Nhưng ở lần sạc đầu tiên, một số lithium trong pin bị kẹt trên bề mặt của điện cực âm. Lithium bị kẹt, cùng với các thành phần khác của dung dịch điện phân, trở thành một phần của thứ gọi là pha điện phân rắn (SEI). SEI này bao bọc điện cực âm, bảo vệ nó khỏi các phản ứng phụ gây mất thêm lithium và do đó làm giảm tuổi thọ của pin.

Thông thường, các nhà sản xuất sẽ sạc pin chậm trước để tạo ra SEI ổn định. Nhưng đó không phải lúc nào cũng là cách tiếp cận tiết kiệm chi phí nhất, và các nghiên cứu gần đây cho thấy việc sạc pin nhanh không nhất thiết có tác động tiêu cực đến tuổi thọ của pin. Hơn nữa, một số thông số khác có thể ảnh hưởng đến SEI, vì vậy không dễ để tối ưu hóa lần sạc đầu tiên để có hiệu suất pin tốt nhất.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng học máy để chọn ra các thông số có tác động mạnh nhất đến SEI. Hai yếu tố - dòng điện và nhiệt độ trong lần sạc đầu tiên - đã thu hút sự chú ý của họ.

Sạc pin trong khoảng 20 phút, thay vì khoảng 10 giờ như thông thường, đã kéo dài tuổi thọ chung của pin thêm khoảng 50%. Nhiều lithium hơn bị kẹt trong SEI trong lần sạc đầu tiên, hạn chế khả năng xảy ra các phản ứng phụ trong tương lai có thể làm giảm tuổi thọ của pin trong các chu kỳ tiếp theo.

Ngoài ra, tăng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng lên 55 độ C cũng có tác dụng tương tự, cải thiện tuổi thọ của pin trung bình 57%. Các nhà nghiên cứu cho biết sự cải thiện đó có thể xuất phát từ những thay đổi trong thành phần SEI giúp nó trở nên mạnh mẽ hơn. Tuy nhiên, các kỹ thuật này không có tác dụng hiệp đồng: sạc pin nhanh và ở nhiệt độ cao đồng thời không cải thiện hiệu suất của pin.

"Chúng tôi không chỉ muốn xác định công thức tốt nhất để tạo ra một loại pin tốt; chúng tôi muốn hiểu cách thức và lý do tại sao nó hoạt động. Sự hiểu biết này rất quan trọng để tìm ra cân bằng tốt nhất giữa hiệu suất pin và hiệu quả sản xuất", đồng tác giả nghiên cứu Will Chueh, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học Stanford, cho biết.

Phương pháp sạc mới cũng có thể giúp pin rẻ hơn, Chueh nói thêm.