Khác với pin lithium-ion hiện nay sử dụng chất điện phân lỏng, pin thể rắn thay thế bằng chất điện phân rắn. Về lý thuyết, công nghệ này hứa hẹn mang lại dung lượng cao hơn, tốc độ sạc nhanh hơn và độ an toàn vượt trội. Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất là chất điện phân dạng gốm dễ xuất hiện các vết nứt siêu nhỏ trong quá trình sạc/xả, dẫn đến hỏng hóc sau thời gian sử dụng.

Trong nghiên cứu đăng trên Nature Materials ngày 16/1, nhóm Stanford đã phủ một lớp bạc dày chỉ 3 nanomet lên bề mặt chất điện phân LLZO (Lithium, Lanthanum, Zirconium, Oxygen), sau đó xử lý nhiệt ở 300°C. Quá trình này khiến các ion bạc (Ag+) khuếch tán vào cấu trúc gốm, thay thế vị trí của các ion lithium nhỏ hơn. Kết quả: bề mặt chất điện phân trở nên bền chắc hơn gấp 5 lần trước khi nứt gãy.

Điểm đặc biệt là bạc vẫn giữ nguyên trạng thái ion dương thay vì trở lại dạng kim loại. Chính điều này giúp ngăn chặn sự xâm nhập của lithium vào các vết nứt, hạn chế hình thành “nhánh” phá hủy bên trong khi sạc nhanh.

“Không thể loại bỏ hoàn toàn mọi khuyết điểm trong sản xuất, nhưng lớp bảo vệ bạc siêu mỏng đã chứng minh hiệu quả rõ rệt,” giáo sư Wendy Gu, đồng tác giả nghiên cứu, chia sẻ.

Bằng cách sử dụng đầu dò trong kính hiển vi điện tử quét, nhóm nghiên cứu đo được lực cần thiết để phá vỡ bề mặt chất điện phân. Vật liệu xử lý bạc chịu được áp lực gần gấp 5 lần so với mẫu chưa xử lý.

Hiện tại, thử nghiệm mới dừng ở mẫu nhỏ, chưa áp dụng cho toàn bộ pin. Nhóm Stanford đang tiến hành thử nghiệm trên pin thể rắn hoàn chỉnh, đồng thời mở rộng sang các chất điện phân khác như gốm chứa lưu huỳnh hoặc thậm chí pin natri – giải pháp tiềm năng để giảm phụ thuộc vào nguồn cung lithium.

Ngoài bạc, một số kim loại khác cũng được thử nghiệm. Đồng cho thấy hiệu quả nhất định nhưng kém hơn bạc. Điều này mở ra triển vọng rằng nhiều loại ion kim loại lớn hơn lithium có thể được khai thác để tăng độ bền cho pin thể rắn.