Đại học Stanford chế tạo thành công điện cực nanosilicon lấy cảm hứng
từ cấu trúc hạt quả lựu
Các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm gia tốc quốc tế DOE/SLAC và Đại học Stanford đang thử nghiệm loại điện cực bên trong chứa các hạt nano silicon được sắp xếp theo cấu trúc nhóm giống như hạt quả lựu. Thiết kế trên cho phép chế tạo ra loại pin sạc với kích thước nhỏ, nhẹ hơn dành cho xe điện, điện thoại di động và những thiết bị khác.
Mỗi điện cực được thiết kế giống như một quả lựu: các hạt nano silicon được nhóm lại với nhau, mỗi nhóm ngăn cách bởi các lớp màng carbon. Cách thiết kế trên đã khắc phục được các trở ngại hiện tại trong việc sử dụng vật liệu silicon cho pin lithium-ion.
Trong bài phỏng vấn với tạp chí nNature Nanotechnology, Yi Cui, Giáo sư tại đại học Stanford và cũng là người đứng đầu dự án đã chia sẻ: "Trước mắt vẫn còn một số thách thức cần phải vượt qua. Tuy nhiên phương pháp dùng silicon làm điện cực cho phép chế tạo ra những thê hệ pin kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và thời lượng lớn hơn để có thể áp dụng cho điện thoại di động, máy tính bảng và xe điện trong tương lai."
Các thử nghiệm đầu tiên cho thấy loại pin sử dụng "điện cực hạt lựu" vẫn hoạt động ở công suất 97% sau 1000 lần sạc. Điều này hoàn toàn thỏa mãn những yêu cầu để được thương mại hóa rộng rãi trong tương lai gần.
Cực dương và cực âm là nơi năng lượng được lưu trữ trong quá trình sạc pin. Các điện cực silicon có thể chứa lượng năng lượng gấp 10 lần so với các điện cực bằng than chì hiện vẫn đang được sử dụng cho các pin sạc lithium-ion hiện nay. Tuy nhiên trước đây, điện cực silicon không phải là không có khuyết điểm: Các hạt silicon có thể trương phồng lên, vỡ ra và khiến lớp màng carbon gói mỗi nhóm hạt bị vỡ trong quá trình sạc pin. Ngoài ra, chất liệu silicon sẽ phản ứng với chất điện giải và tạo thành lớp chất bẩn đóng bên ngoài điện cực làm giảm hiệu suất làm việc của pin.
Trong suốt 8 năm, nhóm nghiên cứu của giáo sư Cui đã nghiên cứu nhằm khắc phục được nhược điểm trên bằng cách sử dụng các hạt silicon kích thước nano. Những hạt silicon này có kích thước quá nhỏ nên không thể vỡ ra thành các hạt nhỏ hơn được nữa. Ngoài ra, lớp màng carbon bọc bên ngoài có tính đàn hồi cao nên có thể phồng ra và co lại trong quá trình sạc pin.
Dựa trên nghiên cứu của giáo sư Cui, 2 nhà nghiên cứu Nian Liu và Zhenda Lu đã sử dụng kỹ thuật màng vi nhũ tương thường được áp dụng cho dầu mỏ, dầu sơn và ngành công nghiệp mỹ phẩm để tạo lớp màng bao bọc cho các hạt nano silicon. Lớp màn trên được hình dung là lớp nhũ tương bao quanh gói hạt bên trong giống như lòng đỏ và lòng trắng trứng gà. Lớp màn nhũ tương chẳng những giúp cho các gói hạt ổn định hơn mà còn cho phép dòng điện di chuyển tốt hơn trong quá trình sạc pin.
Bên cạnh đó, chính nhờ thiết kế thành từng gói mà diện tích tiếp xúc của các hạt silicon với chất điện giải ít hơn, từ đó giúp giảm đáng kể lượng tạp chất sinh ra trong quá trình hoạt động.
Hiện tại, công nghệ trên đã tiến rất gần đến giai đoạn thương mại hóa. Vấn đề duy nhất mà nhóm nghiên cứu cần giải quyết chính là tìm nguồn nguyên liệu nano silicon giá rẻ và đơn giản hóa chu trình sản xuất. Một nguồn nano silicon giá rẻ mà nhóm đang hướng tới sử dụng chính là vỏ trấu: một loại nguyên liệu bỏ đi sau khi tách hạt gạo bên trong, Hàng triệu tấn trấu được sản xuất mỗi năm và 20% thành phần chứa silicon dioxide mà theo giáo sư Liu, có thể được chuyển đổi dễ dàng thành nano silicon.
Giáo sư Liu chia sẻ: "Chúng tôi thực sự phấn khởi khi nhìn thấy được công trình trong suốt 8 năm qua đã có được thành công. Chúng tôi đã có thể từng bước một giải quyết được các vấn đề trở ngại lúc ban đầu."
