Pin lithium ion có thể sạc lại được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện tử trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ máy tính xách tay, điện thoại di động đến ô tô điện.Pin lithium ion trên thị trường hiện nay thường dựa vào dung dịch lỏng, gọi là chất điện phân, ở trung tâm tế bào.

Khi pin cung cấp năng lượng cho thiết bị, các ion lithium sẽ di chuyển từ đầu tích điện âm hoặc cực dương, qua chất điện phân lỏng, đến đầu tích điện dương hoặc cực âm.Khi pin được sạc lại, các ion sẽ di chuyển theo hướng khác từ cực âm, qua chất điện phân đến cực dương.

Pin lithium ion dựa trên chất điện phân lỏng có một vấn đề an toàn lớn: chúng có thể bốc cháy khi sạc quá mức hoặc bị đoản mạch.Một giải pháp thay thế an toàn hơn cho chất điện phân lỏng là chế tạo pin sử dụng chất điện phân rắn để vận chuyển các ion lithium giữa cực dương và cực âm.

Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng chất điện phân rắn dẫn đến sự phát triển kim loại nhỏ, gọi là đuôi gai, tích tụ trên cực dương trong khi pin đang sạc.Những sợi nhánh này làm ngắn mạch pin ở dòng điện thấp, khiến chúng không thể sử dụng được.

Sự phát triển của dendrite bắt đầu ở những vết nứt nhỏ trong chất điện phân ở ranh giới giữa chất điện phân và cực dương.Các nhà khoa học ở Ấn Độ gần đây đã phát hiện ra cách làm chậm sự phát triển của dendrite.Bằng cách thêm một lớp kim loại mỏng giữa chất điện phân và cực dương, chúng có thể ngăn chặn các sợi nhánh phát triển thành cực dương.

Các nhà khoa học đã chọn nghiên cứu nhôm và vonfram như những kim loại có thể để chế tạo lớp kim loại mỏng này.Điều này là do cả nhôm và vonfram đều không phải là hỗn hợp hoặc hợp kim với lithium.Các nhà khoa học tin rằng điều này sẽ làm giảm khả năng hình thành các lỗ hổng trong lithium.Nếu kim loại được chọn tạo hợp kim với lithium thì một lượng nhỏ lithium có thể di chuyển vào lớp kim loại theo thời gian.Điều này sẽ để lại một loại lỗ hổng gọi là khoảng trống trong lithium, nơi sau đó dendrite có thể hình thành.

Để kiểm tra tính hiệu quả của lớp kim loại, ba loại pin đã được lắp ráp: một loại có một lớp nhôm mỏng giữa cực dương lithium và chất điện phân rắn, một loại có một lớp vonfram mỏng và một loại không có lớp kim loại.

Trước khi thử nghiệm pin, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi công suất cao, gọi là kính hiển vi điện tử quét, để xem xét kỹ ranh giới giữa cực dương và chất điện phân.Họ nhìn thấy những khoảng trống và lỗ nhỏ trên mẫu không có lớp kim loại, lưu ý rằng những lỗ hổng này có thể là nơi để các sợi nhánh phát triển.Cả hai loại pin có lớp nhôm và vonfram đều trông mượt mà và liên tục.

Trong thí nghiệm đầu tiên, một dòng điện không đổi chạy qua mỗi cục pin trong 24 giờ.Pin không có lớp kim loại bị đoản mạch và hỏng trong vòng 9 giờ đầu tiên, có thể là do sự phát triển của dendrite.Cả pin nhôm và vonfram đều không hỏng trong thí nghiệm đầu tiên này.

Để xác định lớp kim loại nào có khả năng ngăn chặn sự phát triển dendrite tốt hơn, một thí nghiệm khác đã được thực hiện chỉ trên các mẫu lớp nhôm và vonfram.Trong thí nghiệm này, pin được chạy theo chu kỳ với mật độ dòng điện tăng dần, bắt đầu từ dòng điện được sử dụng trong thử nghiệm trước và tăng dần một lượng nhỏ ở mỗi bước.

Mật độ dòng điện tại đó pin bị đoản mạch được cho là mật độ dòng tới hạn cho sự phát triển của dendrite.Pin có lớp nhôm bị hỏng ở mức gấp ba lần dòng điện khởi động và pin có lớp vonfram bị hỏng ở mức cao hơn năm lần dòng điện khởi động.Thí nghiệm này cho thấy vonfram tốt hơn nhôm.

Một lần nữa, các nhà khoa học lại sử dụng kính hiển vi điện tử quét để kiểm tra ranh giới giữa cực dương và chất điện phân.Họ thấy rằng các khoảng trống bắt đầu hình thành trong lớp kim loại ở mức 2/3 mật độ dòng điện tới hạn đo được trong thí nghiệm trước đó.Tuy nhiên, khoảng trống không xuất hiện ở mức 1/3 mật độ dòng tới hạn.Điều này khẳng định rằng sự hình thành khoảng trống có thúc đẩy sự phát triển của dendrite.

Sau đó, các nhà khoa học thực hiện các phép tính tính toán để hiểu cách lithium tương tác với các kim loại này, sử dụng những gì chúng ta biết về cách vonfram và nhôm phản ứng với những thay đổi về năng lượng và nhiệt độ.Họ đã chứng minh rằng các lớp nhôm thực sự có khả năng hình thành các khoảng trống cao hơn khi tương tác với lithium.Sử dụng những tính toán này sẽ giúp việc chọn loại kim loại khác để kiểm tra trong tương lai trở nên dễ dàng hơn.

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng pin điện phân rắn sẽ đáng tin cậy hơn khi có thêm một lớp kim loại mỏng giữa chất điện phân và cực dương.Các nhà khoa học cũng chứng minh rằng việc chọn kim loại này thay vì kim loại khác, trong trường hợp này là vonfram thay vì nhôm, có thể khiến pin có tuổi thọ cao hơn nữa.Việc cải thiện hiệu suất của các loại pin này sẽ đưa chúng tiến một bước gần hơn đến việc thay thế pin điện phân lỏng rất dễ cháy trên thị trường hiện nay.