Phát hiện gây kinh ngạc về pin

Quá trình lão hóa pin được ví giống như ta "hít thở". Ảnh: Android Police.

Theo nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science, các nhà khoa học thuộc Đại học Texas tại Austin, Stanford và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đã tìm ra lời giải cho bài toán tuổi thọ pin.

Theo đó, nguyên nhân chính khiến pin thiết bị di động và xe điện giảm hiệu suất sau một thời gian sử dụng được xác định là do quá trình thoái hóa cơ - hóa học (chemomechanical degradation). Đây là cơ sở quan trọng để phát triển các dòng pin bền bỉ hơn trong tương lai.

Dù hiện tượng sụt giảm dung lượng sau nhiều chu kỳ sạc đã quá quen thuộc, nguyên nhân thực sự xảy ra bên trong lõi pin vẫn là một ẩn số. Bằng các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các thành phần bên trong pin liên tục giãn nở và co lại trong mỗi chu kỳ sạc/xả.

Phó giáo sư Yijin Liu, người dẫn đầu nghiên cứu, ví hiện tượng này như việc chúng ta "hít thở". Tuy nhiên, không giống như phổi, các vật liệu trong pin không có độ đàn hồi. Với mỗi "nhịp thở", cấu trúc của pin lại bị biến dạng một chút. Những thay đổi này dù cực nhỏ nhưng tích tụ dần theo thời gian, gây áp lực lên các hạt điện cực.

Nhờ phát hiện này, rất có thể trong tương lai người dùng sẽ không còn phải lo lắng về hiện tượng "chai" pin. Ảnh: iMore.

Điểm nhấn quan trọng nhất của nghiên cứu là việc xác định khái niệm “thác căng thẳng” (strain cascades). Các nhà khoa học quan sát thấy áp lực trong pin không chỉ xuất hiện cục bộ mà còn diễn ra theo phản ứng dây chuyền. Cụ thể, khi một hạt điện cực biến dạng trong quá trình sạc, nó sẽ tác động lực lên các hạt lân cận, tạo ra làn sóng căng thẳng lan tỏa khắp hệ thống.

Chính sự chuyển động không đồng đều của hàng trăm nghìn hạt bên trong pin đã tạo ra những điểm áp lực cực lớn, dẫn đến các vết nứt vỡ li ti. Khi các vết nứt này xuất hiện, dòng điện không còn được dẫn truyền hiệu quả, khiến pin mất dần khả năng tích trữ năng lượng.

Việc xác định cơ chế và vị trí hình thành các vết nứt được coi là yếu tố tiên quyết để đột phá trong sản xuất pin. Nếu như trước đây việc thiết kế chủ yếu dựa trên phương pháp thử sai, thì giờ đây, những hiểu biết về phản ứng cơ học của pin sẽ cho phép các chuyên gia phát triển thế hệ điện cực mới với độ bền cao và khả năng chống chịu căng thẳng cơ học tốt hơn.

"Việc hiểu rõ cấu trúc điện cực ảnh hưởng thế nào đến phản ứng với áp lực là bước đi quyết định để phá vỡ các giới hạn hiện tại của công nghệ pin", Phó giáo sư Liu nhấn mạnh.

Khám phá này không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị di động mà còn có ý nghĩa chiến lược đối với ngành công nghiệp xe điện. Việc kiểm soát và giảm thiểu hiện tượng “thác căng thẳng” sẽ cho phép các dòng pin tương lai sạc nhanh hơn nhưng vẫn đảm bảo độ bền trong hàng thập kỷ. Đây là bước tiến quan trọng, đóng góp trực tiếp vào lộ trình phát triển năng lượng sạch trên toàn cầu.