Ưu điểm của pin Lithium-ion là sự nhỏ, nhẹ và khả năng chịu được nhiều chu kỳ sạc/xả. Chúng được dùng nhiều trong máy tính xách tay, điện thoại di động, đồng hồ thông minh và xe điện. Chúng bao gồm một điện cực dương (thường được làm từ lithium coban/oxit mangan hoặc lithium sắt photphat) và một điện cực âm (thường được làm từ kim loại lithium). Các ion lithium chảy qua chất điện phân từ điện cực dương sang điện cực âm khi được sạc và di chuyển theo hướng ngược lại khi xả (sử dụng) và thông qua phản ứng điện hóa nó cung cấp năng lượng cho các thiết bị.

Một trong những hạn chế của pin lithium-ion là các điện cực của nó tương đối dày làm hạn chế sự khuếch tán của các ion lithium. Mặt khác các điện cực dày cũng làm giảm khả năng chịu biến dạng, khiến chúng dễ bị nứt hơn, ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin.

Khắc phục những nhược điểm trên, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các lỗ siêu nhỏ có kích thước nano nhằm tạo ra sự cân bằng giữa kích thước và diện tích bề mặt của các điện cực. Họ sử dụng kỹ thuật in 3D để kiểm soát chặt chẽ kích thước và vị trí của từng lỗ trong điện cực của pin. Việc làm thủng cả ở bề mặt và bên trong điện cực bằng các lỗ rỗng sẽ làm tăng đáng kể diện tích bề mặt.

Nhóm nghiên cứu đã đưa vào máy in 3D một dạng vật liệu do họ tự phát triển. Vật liệu này là sự kết hợp axit polylactic, lithium-iron phosphate và các ống nano carbon. Trong đó axit polylactic là một vật liệu phân hủy sinh học được chế biến từ tinh bột của ngô, mía và củ cải đường, giúp tăng khả năng tái chế của pin.

Bên cạnh đó, nhóm cũng đã tạo ra các điện cực tròn có độ dày khác nhau (100 μm, 200 μm, 300 μm). Họ kết hợp các vật liệu khác nhau cho mỗi loại điện cực và thay đổi lượng ống nano cacbon trong hỗn hợp vật liệu từ 3 đến 10% trọng lượng. Bằng cách đưa vào các lưới lỗ được kiểm soát chặt chẽ trên khắp điện cực, họ điều chỉnh độ xốp từ 10 đến 70%.

 Kết quả, pin điện cực 300 micromet, độ xốp 70% hoạt động tốt nhất với dung lượng 151 mAh/g. Hiệu suất tăng khoảng hai đến ba lần so với pin lithium-ion truyền thống với điện cực rắn có cùng độ dày.

Theo nhóm nghiên cứu, quy trình in 3D mà họ sử dụng mang lại khả năng kiểm soát đáng kể đối với độ xốp của các điện cực, cho phép thiết kế chính xác một siêu vật liệu mới có khả năng giải quyết một số thiếu sót của thế hệ pin lithium-ion hiện tại.

Nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Journal of Power Sources.

Diệu Huyền (CESTI) - Theo Techxplore.com