Phụ gia mới giúp pin lithium-ion giữ 95,6% dung lượng sau 1.000 lần sạc

Một nghiên cứu do Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản, gọi tắt JAIST, thực hiện đang mở ra hướng cải thiện đáng chú ý cho tuổi thọ pin lithium-ion hiện nay. Công trình do Giáo sư Matsumi dẫn đầu, được công bố trên tạp chí Energy & Fuels, tập trung vào một phụ gia hóa học có tên pentafluorophenyl thiophene imine, viết tắt FPTI. Kết quả nổi bật cho thấy pin sử dụng hợp chất này có thể giữ lại 95,6% dung lượng ban đầu sau 1.000 chu kỳ sạc, vượt xa mẫu pin không dùng phụ gia. FPTI thuộc nhóm phụ gia flo hóa, được thiết kế để phản ứng ưu tiên trong những chu kỳ sạc đầu tiên của pin, thay vì liên tục tham gia các phản ứng phụ về sau. Quá trình này giúp củng cố lớp liên pha chất điện phân rắn, thường gọi là SEI, hình thành trên bề mặt cực dương than chì. Lớp SEI ổn định hoạt động như một hàng rào bảo vệ, hạn chế phản ứng không mong muốn giữa điện cực và chất điện phân, đồng thời giảm lượng lithium hoạt tính bị tiêu hao. Cấu trúc của FPTI kết hợp các thành phần gốc lưu huỳnh, imine cùng flo, từ đó tạo ra lớp màng giàu lithium fluoride trên bề mặt than chì. Lớp màng mới không chỉ bảo vệ điện cực hiệu quả hơn, mà còn giúp ion lithium di chuyển thuận lợi trong quá trình sạc và xả. Theo kết quả được nêu trong bài đăng trên báo Thanh Niên, điện trở của lớp SEI giảm mạnh từ 7,6 ohm xuống còn 2,2 ohm khi có sự hỗ trợ của phụ gia. Nhóm nghiên cứu thử nghiệm FPTI ở nồng độ 4 mg/mL trong các cell sử dụng điện cực than chì, rồi theo dõi khả năng duy trì dung lượng qua nhiều chu kỳ vận hành. Sau 1.000 lần sạc, cell có phụ gia vẫn giữ được 95,6% dung lượng, trong khi mẫu đối chứng không chứa FPTI chỉ còn 62,7%. Mẫu đối chứng cũng bắt đầu suy giảm nghiêm trọng sau khoảng 350 chu kỳ, cho thấy khác biệt về độ bền giữa hai thiết kế là rất rõ rệt. Tuy nhiên, hiệu quả trên cell than chì riêng lẻ chưa thể hiện đầy đủ những thách thức khi đưa công nghệ vào một viên pin hoàn chỉnh. Khi kết hợp cực âm NMC811 với cực dương than chì, việc bổ sung trực tiếp FPTI vào toàn bộ chất điện phân lại làm điện trở ở cực âm tăng lên. Phát hiện này buộc các nhà khoa học thay đổi chiến lược, chuyển từ cách trộn phụ gia toàn hệ thống sang phương án xử lý đúng vị trí cần thiết. Trong giải pháp mới, FPTI chỉ được dùng để tiền xử lý riêng cực dương than chì trong giai đoạn chạy thử ban đầu, trước khi điện cực được lắp ráp cùng chất điện phân tiêu chuẩn. Cách tiếp cận có mục tiêu này vẫn tạo được lớp bảo vệ cần thiết trên than chì, đồng thời tránh làm ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động của cực âm NMC811. Nhờ vậy, nhóm nghiên cứu kiểm soát tốt hơn sự cân bằng giữa độ bền, điện trở và hiệu suất của cell pin hoàn chỉnh. Với nồng độ xử lý 4 mg/mL, cell pin hoàn chỉnh đạt mật độ năng lượng khoảng 233 Wh/kg, cao hơn đáng kể so với mức 130 Wh/kg của mẫu đối chứng. Khoảng cách này cho thấy việc điều chỉnh bề mặt điện cực bằng phụ gia có thể tác động đồng thời đến tuổi thọ, khả năng truyền ion và lượng năng lượng lưu trữ. Dù chưa thể xem đây là giải pháp sẵn sàng cho mọi loại pin thương mại, kết quả vẫn cung cấp bằng chứng đáng chú ý về giá trị của phương pháp xử lý bề mặt có chọn lọc. Các nhà khoa học vẫn cần tiến hành thêm thử nghiệm trên những cell thương mại lớn hơn, với điều kiện nhiệt độ, tốc độ sạc và môi trường vận hành đa dạng hơn. Những bước kiểm chứng này sẽ giúp xác định FPTI có duy trì được hiệu quả ổn định khi mở rộng quy mô sản xuất hay không. Dẫu vậy, nghiên cứu của JAIST đã mở ra hướng kiểm soát bề mặt ở cấp độ phân tử, hứa hẹn góp phần kéo dài tuổi thọ pin lithium-ion trong các ứng dụng tương lai.