Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tin rằng sự tích tụ màng không thể tránh khỏi trên các điện cực của pin sạc là nguyên nhân làm giảm hiệu suất. Nhưng một nghiên cứu gần đây ở Mỹ phát hiện ra rằng thực sự có những lý do khác đằng sau sự suy giảm hiệu suất. Một nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã phát hiện ra rằng sự tích tụ cặn kim loại lithium trong các cấu trúc rêu hoặc giống cây trên các điện cực của pin không phải là nguyên nhân sâu xa dẫn đến suy giảm hiệu suất mà là một tác dụng phụ.
Những phát hiện mới nhất của họ gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Energy.
Kết quả của họ cho thấy cái gọi là giao diện điện phân rắn (SEI) không phải là chất cách điện điện tử như người ta nghĩ trước đây mà hoạt động giống như một chất bán dẫn. SEI hoạt động như một người bảo vệ, cho phép các ion lithium di chuyển tự do vào và ra khỏi cực dương. Các nhà khoa học từ lâu đã tập trung nghiên cứu lớp SEI này, mặc dù mỏng hơn một tờ giấy nhưng lại đóng vai trò rất lớn trong hiệu suất của pin.
SEI hình thành trong chu kỳ sạc đầu tiên khi pin còn mới và lý tưởng nhất là duy trì ổn định trong suốt thời gian sử dụng dự kiến của pin. Nhưng nhìn vào bên trong một cục pin sạc đã cũ thường thấy có sự tích tụ lớn của lithium rắn trên điện cực âm. Các nhà nghiên cứu về pin tin rằng sự tích tụ này dẫn đến suy giảm hiệu suất. Nhưng trước đây người ta không thể đo lường được nguyên nhân và kết quả.
Trong nghiên cứu mới nhất, họ đã giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển một công nghệ mới để đo trực tiếp độ dẫn điện của SEI trong hệ thống thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp kính hiển vi điện tử truyền qua với thao tác ở cấp độ nano của kim kim loại được chế tạo vi mô trong kính hiển vi. Sau đó, các nhà nghiên cứu đo tính chất điện của các lớp SEI hình thành trên kim loại đồng hoặc lithium bằng bốn loại chất điện phân khác nhau.
Bằng cách này, họ đã giải đáp được bí ẩn bấy lâu nay về cách SEI đóng vai trò trong hoạt động của pin. Các phép đo của nhóm cho thấy khi điện áp tế bào tăng lên, lớp SEI trong mọi trường hợp đều rò rỉ electron, khiến nó trở thành chất bán dẫn. Ngoài ra, các thành phần hữu cơ chứa carbon của lớp SEI dễ làm rò rỉ electron và rút ngắn tuổi thọ pin.
Chongmin Wang, nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm PNNL và chuyên gia công nghệ pin, người đồng chủ trì nghiên cứu, cho biết: "Độ dẫn điện cao hơn dẫn đến SEI dày hơn và các dạng lithium rắn phức tạp, cuối cùng dẫn đến hiệu suất pin kém hơn."
Tại thời điểm này, các nhà nghiên cứu kết luận rằng việc giảm thiểu các thành phần hữu cơ trong SEI sẽ giúp pin có tuổi thọ dài hơn.
“Ngay cả những thay đổi nhỏ về tốc độ dẫn truyền qua SEI cũng có thể dẫn đến sự khác biệt lớn về hiệu suất và độ ổn định của chu kỳ pin.” Vương nói thêm.