Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Bảo Hiền tổng hợp

Pin thể rắn (solid-state battery) từ lâu được xem là hướng đi tiếp theo cho công nghệ pin, hứa hẹn mật độ năng lượng cao hơn và an toàn hơn so với pin lithium-ion dùng chất điện phân lỏng hiện nay. Nhưng có một trở ngại kỹ thuật dai dẳng đã cản trở quá trình thương mại hóa suốt nhiều năm: các nhánh kim loại lithium nhỏ (dendrite) hình thành trong quá trình sạc có khả năng xuyên thủng lớp điện phân rắn bằng gốm - vốn được xem là vật liệu cứng và bền - gây đoản mạch bên trong pin. Một nghiên cứu hợp tác quốc tế vừa công bố lời giải cho câu hỏi tồn tại nhiều năm: bằng cách nào một kim loại mềm như lithium lại có thể phá vỡ được vật liệu gốm cứng hơn nó gấp nhiều lần?

Giả thuyết cũ không đứng vững

Trước đây, giới nghiên cứu vật liệu pin thường cho rằng dendrite lithium xuyên qua gốm nhờ cơ chế tích lũy ứng suất cơ học ở ngay đầu nhánh - tương tự cách một vật nhọn từ từ ấn xuyên qua bề mặt cứng. Một giả thuyết khác cho rằng lithium “mọc mầm” tại các ranh giới hạt tinh thể (grain boundary) trong cấu trúc gốm - những điểm yếu vi mô giữa các hạt tinh thể liền kề - rồi lan dần từ đó.

Nhóm nghiên cứu, với sự tham gia của Viện Max Planck về Vật liệu Bền vững (Đức) và Đại học Giao thông Thượng Hải (Trung Quốc), đã kiểm tra lại cả hai giả thuyết bằng các phương pháp phân tích vi cấu trúc tiên tiến - bao gồm kính hiển vi điện tử quét và truyền dẫn ở nhiệt độ cực thấp (cryo-SEM, cryo-TEM), quang phổ tổn hao năng lượng điện tử (EELS), và tái dựng hình ảnh ba chiều ở cấp độ nano. Kết quả: không tìm thấy bằng chứng lithium “mọc mầm” tách biệt ở phía trước đầu nhánh dendrite trong điều kiện vận hành thực tế của pin - bác bỏ giả thuyết ranh giới hạt tinh thể.

Cơ chế thực sự: áp suất thủy tĩnh, giống tia nước xuyên qua đá

Thay vào đó, nhóm nghiên cứu xác định cơ chế chính là áp suất thủy tĩnh (hydrostatic pressure): khi lithium kim loại bị giữ chặt bên trong các vết nứt vi mô có sẵn trong gốm, nó tạo ra một áp lực rất lớn dồn nén từ mọi phía, đủ để khiến gốm - vốn là vật liệu giòn - bị nứt gãy tiếp tục lan rộng. Nhóm nghiên cứu ví cơ chế này giống như nước bị ép vào các khe nứt của đá rồi tạo ra vết nứt mới, thay vì một vật nhọn từ từ khoan xuyên qua bề mặt cứng.

Hình ảnh tái dựng ba chiều ở cấp độ nano cho thấy lithium lấp đầy hoàn toàn đầu các vết nứt siêu nhỏ và tiếp tục lan vào các vết nứt ở cấp độ micromet. Phân tích định hướng tinh thể cũng cho thấy khoảng 20% số vết nứt lan truyền xuyên qua chính các hạt tinh thể gốm (transgranular), chứ không chỉ đi theo ranh giới giữa các hạt (intergranular) như quan niệm phổ biến trước đây - cho thấy dendrite có thể phá vỡ cấu trúc gốm theo cả hai kiểu đồng thời.

Từ cơ chế đến giải pháp: dùng vết nứt để “dẫn hướng” dendrite

Hiểu đúng cơ chế phá hủy giúp nhóm nghiên cứu đề xuất một hướng khắc phục có phần phản trực giác: thay vì chỉ tìm cách ngăn hoàn toàn vết nứt hình thành, họ phát triển chiến lược “thiết kế khiếm khuyết” (defect engineering) - chủ động tạo ra các vết nứt định trước trong cấu trúc gốm nhằm dẫn hướng đường lan truyền của dendrite, ngăn nó phát triển theo đường thẳng xuyên qua toàn bộ lớp điện phân và gây đoản mạch.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng đề xuất hai hướng bổ sung: tăng độ dai (toughness) của vật liệu gốm để trì hoãn quá trình hình thành vết nứt ban đầu, và phủ lớp bảo vệ lên bề mặt điện cực lithium nhằm hạn chế dendrite khởi phát ngay từ đầu.

Ý nghĩa đối với thương mại hóa pin thể rắn

Trưởng nhóm nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu đúng bản chất vật lý trước khi có thể tối ưu hóa vật liệu: hiểu biết nền tảng về hành vi vật liệu là yếu tố then chốt để biến các công nghệ tiềm năng thành ứng dụng thực tế. Phát hiện này được xem là bước tiến quan trọng bởi hiện tượng đoản mạch do dendrite từ lâu đã là một trong những rào cản kỹ thuật lớn nhất ngăn cản pin thể rắn - vốn được kỳ vọng cho mật độ năng lượng cao hơn và an toàn hơn pin lithium-ion hiện tại - tiến tới quy mô sản xuất thương mại cho xe điện và các ứng dụng lưu trữ năng lượng khác.