Viện Công nghệ Sản xuất Hàn Quốc (KITECH) ngày 15/4 cho biết đã phát triển thành công một chất điện giải rắn gốc sulfide mới dùng cho pin thể rắn. Theo viện này, vật liệu mới cho độ dẫn ion cao gấp 77 lần so với trước đây, đồng thời giảm 40% lượng khí hydro sulfide (H2S) phát sinh khi tiếp xúc với độ ẩm.

Nghiên cứu này do Kim Tae-hyo, nghiên cứu viên trưởng thuộc Nhóm Năng lượng Carbon thấp, dẫn dắt. KITECH cho biết thành quả này đồng thời cải thiện khả năng dẫn ion và độ ổn định trong không khí — hai yếu tố then chốt đối với quá trình thương mại hóa pin thể rắn.

Trong pin thể rắn, chất điện giải rắn đóng vai trò dẫn truyền ion lithium giữa cực dương và cực âm. Trong số các vật liệu hiện nay, chất điện giải rắn gốc sulfide được xem là một trong những lựa chọn triển vọng nhờ độ dẫn ion cao.

Nghiên cứu lần này tập trung vào Li6PS5I. Vật liệu này có chi phí sản xuất thấp và khi tiếp xúc với kim loại lithium có thể hình thành lớp bảo vệ nano LiI, qua đó giúp tăng độ ổn định của cell. Tuy nhiên, so với các chất điện giải rắn gốc sulfide khác, Li6PS5I có độ dẫn ion tương đối thấp và có thể phát sinh khí H2S độc hại khi gặp ẩm.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã bổ sung ba nguyên tố gồm clo (Cl), antimon (Sb) và oxy (O) vào Li6PS5I. Theo KITECH, clo giúp thay đổi cách sắp xếp nguyên tử trong vật liệu, tạo điều kiện để ion lithium di chuyển thuận lợi hơn. Trong khi đó, antimon và oxy hình thành cấu trúc liên kết bền hơn với độ ẩm, qua đó hạn chế sự phân hủy của vật liệu và giảm phát sinh H2S.

Nhóm đã tối ưu dần tỷ lệ của ba nguyên tố, đồng thời so sánh và kiểm chứng nhiều tổ hợp thành phần để tìm ra cấu hình cân bằng nhất giữa độ dẫn ion và độ ổn định cấu trúc. Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu mới đạt độ dẫn ion 1,158 mS/cm, cao gấp 77 lần so với vật liệu trước đó.

Trong môi trường có độ ẩm tương đối 30%, lượng H2S phát sinh giảm 40%, cho thấy khả năng kháng ẩm được cải thiện rõ rệt. Khi phơi trong 24 giờ ở độ ẩm tương đối 50%, vật liệu cũ bị biến chất thành trạng thái giống bùn, trong khi vật liệu mới vẫn giữ được trạng thái rắn.

Độ ổn định khi tiếp xúc với kim loại lithium cũng được cải thiện. KITECH cho biết mật độ dòng điện tới hạn trước khi xảy ra ngắn mạch nội bộ trong pin đã tăng 86% so với vật liệu cũ. Vật liệu mới cũng được xác nhận có thể vận hành ổn định hơn 2.000 giờ trong điều kiện tiếp xúc với kim loại lithium.

Không dừng ở thiết kế vật liệu, nhóm nghiên cứu còn lắp ráp cell nén để đánh giá hiệu suất chu kỳ. Pin thể rắn sử dụng chất điện giải mới ghi nhận dung lượng xả ban đầu đạt 158,4 mAh/g, cao hơn 18% so với mức 134,5 mAh/g của pin nền dùng Li6PS5I. Qua 100 chu kỳ sạc xả, pin vẫn vận hành ổn định.

Kim Tae-hyo cho biết kết quả này cho thấy chất điện giải rắn gốc sulfide có thể đồng thời nâng cao hiệu năng và độ ổn định. Theo ông, KITECH dự kiến chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp vật liệu, linh kiện và thiết bị trong nước nhằm rút ngắn quá trình thương mại hóa pin thể rắn.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Chemical Engineering Journal.