Phát hiện đột phá hé lộ nguyên nhân pin nhanh “chai”

Nghiên cứu mới đăng tải trên tạp chí Science, do các nhà khoa học đến từ Đại học Texas tại Austin, Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thực hiện, đã chỉ ra nguyên nhân cốt lõi khiến pin suy giảm hiệu suất theo thời gian. Theo nhóm nghiên cứu, hiện tượng pin “chai” không đơn thuần là hao mòn thông thường mà xuất phát từ quá trình thoái hóa cơ – hóa học diễn ra ngay bên trong cấu trúc pin.

Dù việc pin giảm dung lượng sau nhiều chu kỳ sạc là điều quen thuộc, song cơ chế cụ thể bên trong lõi pin từ lâu vẫn là một “vùng mờ”. Bằng các công nghệ chụp ảnh tiên tiến, các nhà khoa học phát hiện rằng trong mỗi lần sạc và xả, các vật liệu bên trong pin liên tục giãn nở rồi co lại.

Phó giáo sư Yijin Liu, trưởng nhóm nghiên cứu, ví quá trình này giống như việc pin đang “hít thở”. Tuy nhiên, khác với phổi con người có khả năng đàn hồi, vật liệu pin không thể phục hồi hoàn toàn. Mỗi chu kỳ “hít thở” để lại một biến dạng rất nhỏ, và theo thời gian, những biến dạng này tích tụ, tạo ra áp lực lớn lên các hạt điện cực.

Điểm then chốt của nghiên cứu là việc xác định hiện tượng được gọi là “thác căng thẳng”. Các nhà khoa học nhận thấy sự biến dạng không chỉ xảy ra ở từng điểm riêng lẻ mà lan truyền theo hiệu ứng dây chuyền. Khi một hạt điện cực chịu áp lực và biến dạng, nó sẽ tác động lên các hạt xung quanh, hình thành làn sóng căng thẳng lan rộng trong toàn bộ cấu trúc pin.

Sự chuyển động không đồng bộ của hàng trăm nghìn hạt bên trong khiến pin xuất hiện những điểm chịu lực cực lớn, từ đó hình thành các vết nứt siêu nhỏ. Khi các vết nứt này phát triển, khả năng dẫn điện bị suy giảm, kéo theo việc pin ngày càng mất đi năng lực tích trữ năng lượng.

Việc làm rõ cơ chế hình thành các vết nứt được xem là bước ngoặt quan trọng. Thay vì phụ thuộc vào phương pháp thử nghiệm – sai như trước đây, các nhà khoa học giờ đã có cơ sở khoa học để thiết kế điện cực mới bền hơn, chịu được áp lực cơ học tốt hơn.

Phó giáo sư Liu nhấn mạnh rằng hiểu rõ mối liên hệ giữa cấu trúc điện cực và phản ứng trước áp lực chính là chìa khóa để vượt qua những giới hạn hiện tại của công nghệ pin.

Phát hiện này không chỉ mở ra triển vọng kéo dài tuổi thọ pin cho điện thoại, máy tính bảng mà còn mang ý nghĩa chiến lược đối với ngành xe điện. Nếu kiểm soát được hiện tượng “thác căng thẳng”, pin trong tương lai có thể vừa sạc nhanh, vừa bền bỉ trong nhiều thập kỷ, góp phần thúc đẩy quá trình chuyển dịch sang năng lượng sạch trên phạm vi toàn cầu.