Các nhà khoa học tìm ra cách kéo dài tuổi thọ pin lên hơn 19 lần

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang Hàn Quốc (POSTECH) đã có phát hiện đáng chú ý.

Theo đó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện một cơ chế thoái hóa mới trong pin lithium-ion được kích hoạt bởi quá trình xả sâu. Nghiên cứu do Giáo sư Jihyun Hong đến từ khoa Kỹ thuật pin dẫn đầu, đã chỉ ra rằng việc tránh xả hoàn toàn có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin có hàm lượng niken cao.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cơ chế phân hủy trước đây chưa từng được biết đến trong pin lithium-ion, gây ra bởi "phản ứng chuyển đổi bán phần" trong quá trình xả, tạo thành oxit lithium và làm tăng tốc độ hao mòn pin, đặc biệt ở các cực âm có hàm lượng niken cao.

Được công bố trên trang bìa tạp chí Advanced Energy Materials, nhóm nghiên cứu đã nhắm vào pin lithium-ion, thường được sử dụng trong xe điện, vốn thường có catốt ba thành phần niken-mangan-coban (NMC). Để giảm chi phí sản xuất, ngành công nghiệp đang chuyển sang sử dụng catốt có hàm lượng niken cao hơn nhưng làm giảm tuổi thọ pin.

Trước đây, sự suy giảm hiệu suất pin chủ yếu xảy ra do sạc quá mức. Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ ra rằng sự suy giảm cũng xảy ra trong điều kiện điện áp ổn định. Nhóm nghiên cứu đã tập trung vào quá trình xả, phát hiện rằng khi pin được sử dụng lâu mà không sạc lại, một hiện tượng gọi là “phản ứng chuyển đổi bán phần” xảy ra trên bề mặt cực âm.

Trong quá trình này, oxy thoát ra và kết hợp với lithium để tạo thành lithium oxide (Li₂O), dẫn đến sự phân hủy của pin. Phản ứng này nghiêm trọng hơn ở các catốt niken cao. Khi pin gần cạn kiệt dung lượng, hiện tượng phồng pin trở nên rõ rệt hơn.

Việc tăng điện áp xả có hiệu quả ngăn chặn sự mất oxy và các phản ứng phụ tiếp theo ở bề mặt, dẫn đến giảm đáng kể sự thoát ra của các khí (CO, CO₂, CH₄ và C₂H₄).

Giờ đây, nghiên cứu đã đưa ra một giải pháp giải quyết đơn giản: đó là tối ưu hóa việc sử dụng pin và tránh xả hoàn toàn. Trong các thí nghiệm, pin có hàm lượng niken cao xả sâu chỉ giữ lại 3,8% dung lượng sau 250 chu kỳ, trong khi pin được sử dụng có kiểm soát vẫn duy trì 73,4% dung lượng sau 300 chu kỳ. Điều này tương đương với mức cải thiện tuổi thọ lên đến 19 lần.

Giáo sư Jihyun Hong nhấn mạnh: “Tác động của quá trình xả - quá trình thực tế khi sử dụng pin - đã bị bỏ qua từ trước đến nay. Nghiên cứu này mở ra hướng đi quan trọng cho việc phát triển pin có tuổi thọ cao hơn”.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Viện Phát triển Công nghệ Hàn Quốc (KIAT) thông qua Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng (MOTIE) và cũng nhận tài trợ từ Viện Kế hoạch và Đánh giá Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KEIT).