Phát triển thành công pin lithium-lưu huỳnh mới siêu mỏng nhẹ

Pin lithium-lưu huỳnh từ lâu đã được đánh giá cao nhờ mật độ năng lượng rất lớn so với khối lượng. Tuy nhiên, theo một bài đăng Science X Dialog trên Tech Xplore, loại pin này thường chiếm nhiều không gian hơn pin lithium-ion hiện nay, khoảng gấp 1,5 đến 2 lần. Chính nhược điểm về độ dày khiến pin lithium-lưu huỳnh khó được ứng dụng trong các thiết bị nhỏ gọn, nơi từng milimet không gian đều rất quan trọng.

Thiết kế mới được đề cập trong nghiên cứu có thể mở ra hướng đi khác, bằng cách thay đổi một thành phần ít được chú ý: chất kết dính (binder). Đây là lớp “keo” giúp giữ các vật liệu điện cực liên kết với nhau bên trong pin.

Nhóm nghiên cứu đã biến chất kết dính này thành dạng bọt xốp bằng vật liệu có nguồn gốc protein. Khi lớp bọt khô lại, bên trong cathode sẽ hình thành vô số khoảng rỗng nhỏ dạng ống li ti, giống như một miếng bọt biển với nhiều đường hầm siêu nhỏ.

Sau đó, cathode được đưa qua công đoạn cán ép (calendering), một bước phổ biến trong sản xuất pin, nhằm làm vật liệu mỏng hơn và đặc hơn. Điều đáng chú ý là dù bị ép mạnh, các “đường hầm” siêu nhỏ này không bị sập. Kết quả là cathode mỏng hơn gần gấp ba lần so với trước.

Những khoảng rỗng này đóng vai trò cực kỳ quan trọng, bởi chúng tạo điều kiện cho các ion và vật chất bên trong pin di chuyển dễ dàng khi pin hoạt động. Nếu ép cathode quá chặt, các đường di chuyển này sẽ bị bóp nghẹt, khiến hiệu suất pin suy giảm.

Theo bài viết, đây chính là vấn đề lớn mà nhiều thiết kế pin lithium-lưu huỳnh từng gặp phải. Việc nén cathode để giảm độ dày thường vô tình phá hủy cấu trúc không gian cần thiết cho pin hoạt động hiệu quả. Với cấu trúc bọt xốp mới, lớp cathode có thể đóng vai trò như một “khung chống đỡ” bên trong, cho phép ép mỏng vật liệu mà không làm tắc các đường dẫn.

Việc làm pin mỏng hơn chỉ thực sự có ý nghĩa nếu hiệu suất vẫn được duy trì khi chịu tải nặng. Bài viết cho biết cathode mới vẫn giữ được dung lượng cao ngay cả khi sạc trong khoảng 15 phút, một bài kiểm tra sạc nhanh vốn rất dễ làm lộ điểm yếu của các thiết kế pin kém ổn định.

Dù vậy, nghiên cứu vẫn chưa cung cấp đầy đủ các thông số quan trọng như tuổi thọ qua nhiều chu kỳ sạc hay chi tiết cấu trúc chế tạo, khiến việc so sánh trực tiếp với các công nghệ pin khác còn hạn chế. Đây là một hướng đi đầy hứa hẹn, nhưng chưa thể coi là kết luận cuối cùng.

Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này có thể giúp hiệu suất pin tăng gấp đôi khi xét trên cùng một thể tích – đúng vào điểm yếu lớn nhất khiến pin lithium-lưu huỳnh chưa thể phổ biến rộng rãi. Nếu kết quả này được xác nhận, công nghệ pin này có thể trở nên thực tế hơn nhiều cho các thiết bị nhỏ gọn.

Nhóm cũng cho biết họ đang tiếp tục tối ưu để đạt hiệu suất cao hơn nữa, đồng thời hé lộ kế hoạch liên quan đến một công ty spin-off. Hiện chưa có mốc thời gian hay sản phẩm cụ thể, vì vậy điều cần theo dõi tiếp theo là liệu công nghệ này có thể tái tạo kết quả ổn định và được chứng minh trong các dây chuyền sản xuất thực tế hay không.