Điện giải tự thích ứng: Giải pháp sạc nhanh cho pin dung lượng cao

Các nhà khoa học tại Mỹ vừa phát triển công nghệ điện giải mới có khả năng tự thích ứng trong quá trình sạc, giúp pin lưu trữ nhiều năng lượng hơn mà vẫn sạc nhanh và bền bỉ. Kết quả nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Nature Energy được kỳ vọng sẽ tạo bước ngoặt cho công nghệ pin xe điện.

Giữa làn sóng chuyển đổi sang năng lượng xanh và phát triển hệ thống giao thông xanh, cùng với sự bứt phá của các giải pháp như năng lượng mặt trời và pin sạc việc phát triển pin vừa lưu trữ được nhiều năng lượng vừa sạc nhanh, bền bỉ và an toàn đang trở thành ưu tiên hàng đầu. Tuy nhiên, từ trước tới nay, giới khoa học luôn đối mặt với bài toán “đánh đổi” giữa mật độ năng lượng cao và tốc độ sạc nhanh.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Maryland đã giới thiệu một giải pháp đột phá: điện giải có khả năng tự thích ứng, mở rộng khả năng ổn định điện hóa trong quá trình sạc, cho phép pin dung lượng lớn vẫn sạc nhanh mà không làm giảm tuổi thọ hay gây phản ứng phụ.

Khi sạc nhanh, điện thế tại điện cực thường vượt quá quy định sự ổn định điện hóa của điện giải, dẫn đến phản ứng phụ, sinh khí hoặc tạo lớp lắng cặn gây suy giảm hiệu suất. Điều này khiến pin dung lượng lớn khó đạt tốc độ sạc cao mà vẫn đảm bảo an toàn.

Tiến sĩ Chang-Xin Zhao, tác giả chính, đặt câu hỏi: “Nếu điện giải có thể tự động phản ứng với quá trình sạc và mở rộng giới hạn ổn định ngay trong thời gian thực, liệu chúng ta có thể phá vỡ giới hạn này không?”

Nhóm nghiên cứu tận dụng hiệu ứng “salting-out” trong lý thuyết cân bằng pha — hiện tượng khi thêm muối vào dung dịch khiến một số thành phần trở nên kém tan và tách pha.

Điều thú vị là trong pin, quá trình sạc sẽ tạo ra gradient nồng độ muối tự nhiên trong điện giải, tạo điều kiện để “salting-out” diễn ra. Trên cơ sở đó, nhóm đã thiết kế hệ điện giải ba thành phần (hai dung môi và một muối) có khả năng tách pha cục bộ khi sạc, nhờ đó mở rộng cửa sổ ổn định điện hóa một cách tức thời.

Hai dung môi và muối được chọn lọc kỹ, đảm bảo khi nồng độ muối thay đổi sẽ xảy ra tách pha, giúp pin chịu được điện thế cao hơn khi sạc nhanh. Hệ điện giải được điều chỉnh ngay tại ngưỡng trước khi tách pha, khiến nó nhạy đặc biệt với thay đổi nồng độ khi sạc, từ đó phản ứng nhanh và thích nghi theo thời gian thực.

Nhóm đã thử nghiệm loại điện giải này trên pin kẽm–kim loại  và pin lithium–kim loại. Kết quả cho thấy hiệu suất Coulombic cao vượt trội, và độ ổn định được cải thiện rõ rệt khi sạc nhanh.

Khác với hướng nghiên cứu truyền thống thường tập trung vào tinh chỉnh cấu trúc phân tử của dung môi hoặc muối, công trình này tiếp cận ở cấp độ hệ thống, khai thác nguyên lý cân bằng pha để tạo ra điện giải có khả năng thích nghi động.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ mở rộng sang các hệ điện giải dạng gel, nghiên cứu sâu các quá trình bề mặt trong điều kiện vận hành, và thử nghiệm quy mô lớn trên cell pin dạng túi với quy trình sạc thực tế.

Nguồn: Techxplore.com