Thuật toán sạc năng lượng mới có thể tăng gấp đôi tuổi thọ pin li-ion

Nhóm các nhà nghiên cứu Châu Âu từ Đại học Humboldt và Viện nghiên cứu Helmholtz-Zentrum Berlin đã phát triển 1 giải pháp sạc mới có khả năng kéo dài tuổi thọ của pin li-ion so với hiện tại. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc thay đổi cách mà bộ sạc cung cấp dòng điện cho vật liệu điện phân sẽ giúp pin li-ion bền hơn, duy trì được lượng năng lượng cao hơn sau hàng trăm chu kỳ sạc – xả.

Pin li-ion hẳn không còn xa lạ gì trong thời đại ngày nay. Đây là 1 giải pháp lưu trữ năng lượng nhỏ gọn và bền bỉ, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều khía cạnh đời sống. Pin li-ion thường xuất hiện trong thiết bị điện tử, xe điện, tuy nhiên hạn chế của chúng là dung lượng giảm dần theo thời gian, khi trải qua nhiều chu kỳ sạc – xả (chất điện phân đi qua màng ngăn cách giữa anode và cathode). Hiện nay, pin lithium-ion thương mại có chất lượng tốt nhất sẽ có tuổi thọ tới 8 năm, nhờ sử dụng điện cực làm từ vật liệu NMC532 và than chì (graphite).

Quá trình xả của pin thì có nhiều chế độ bảo vệ, còn phương pháp sạc pin thông thường sử dụng dòng điện không đổi (constant current – CC) từ nguồn điện bên ngoài. Phương pháp sạc bằng CC qua nghiên cứu chỉ ra rằng nó làm cho lớp SEI (solid electrolyte interface – ngăn cách điện thể rắn) của anode dày hơn đáng để. Không chỉ vậy, các nhà nghiên cứu còn thấy có nhiều vết nứt trên cấu trúc điện cực NMC532 và than chì. Khi lớp SEI dày lên cũng như có nhiều vết nứt trên điện cực sẽ làm giảm đáng kể dung lượng của pin li-ion.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu phát triển 1 giao thức sạc mới dựa trên dòng điện xung (pulse current – PC). Sau khi sạc bằng giao thức PC, họ thấy lớp SEI mỏng hơn và cấu trúc của điện cực cũng ít bị tác động, ít biến đổi hơn. Nhóm cũng sử dụng 2 cơ sở synchrotron (hệ thống dùng để gia tốc các loại hạt tích điện) hàng đầu Châu Âu là “BESSY II” và “PETRA III”, nhằm tiến hành các thí nghiệm sạc pin li-ion bằng dòng điện xung. Kết quả cho thấy sạc PC thúc đẩy sự phân bố đồng đều (homogeneous distribution) của các ion lithium trong than chì, từ đó giúp giảm ứng suất cơ học cũng như hiện tượng nứt vỡ các hạt than chì. Giao thức PC cũng có thể ngăn chặn sự suy giảm cấu trúc trong cathode NMC532.

Nghiên cứu chỉ ra rằng xung tần số cao với dòng điện dạng sóng vuông (square-wave current) cho kết quả tốt nhất. Những phép thử nghiệm cho thấy sạc PC có thể kéo dài tuổi thọ pin li-ion lên tới gấp đôi hiện tại, trong khi duy trì được 80% dung lượng.

ScienceDaily