Thực tế các nhà khoa học đã nhận ra nhu cầu thiết kế pin xe điện có khả năng sạc cực nhanh để đáp ứng nhu cầu của người lái xe là vô cùng cần thiết. Tuy nhiên, tốc độ sạc nhanh như vậy sẽ đòi hỏi pin phải nhanh chóng tiêu thụ 400 kilowatt năng lượng, một kỳ tích mà các phương tiện hiện tại không thể thực hiện được vì nó có nguy cơ làm giảm nghiêm trọng tuổi thọ pin.
Loại pin này được các nhà nghiên cứu đến từ Đại học bang Pennsylvania tuyên bố trên tạp chí Joule rằng chỉ cần 10 phút sạc, pin mới có thể nạp đủ điện để phương tiện chạy liên tục quãng đường 322 - 480 km. Trưởng nhóm nghiên cứu Chao-Yang Wang cho biết tốc độ sạc như vậy đòi hỏi pin phải có khả năng nạp nhanh chóng 400 kilowatt điện.
Các pin lithium-ion hiện có trên thị trường không thể làm được điều này vì ở nhiệt độ 20 - 30°C, tốc độ sạc quá nhanh có thể gây ra hiện tượng mạ lithium, tức sự hình thành của lớp cặn lithium kim loại xung quanh cực dương, khiến tuổi thọ và hiệu suất của pin giảm đáng kể chỉ sau 60 chu kỳ sạc.
Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã làm nóng điện cực lên đến 60°C, cho phép pin sạc nhanh qua 2.500 chu kỳ mà không tạo ra lớp mạ, điều này tương đương với 14 năm sử dụng hay 750.000 km hành trình. Pin sau mỗi lần sạc sẽ được làm mát về nhiệt độ phòng trước khi sử dụng.
Trong khi pin lithium thông thường được sạc và xả ở cùng nhiệt độ, các nhà nghiên cứu nhận thấy họ có thể tránh được vấn đề mạ lithium nhờ phương án sạc pin ở nhiệt độ cao 60 độ C trong vài phút, sau đó xả ở nhiệt độ thấp hơn.
"Ngoài việc sạc nhanh, thiết kế này cho phép chúng tôi giới hạn thời gian tiếp xúc của pin với nhiệt độ sạc cao, do đó tạo ra tuổi thọ rất dài. Điều quan trọng là nhận ra sự gia nhiệt nhanh chóng, nếu không pin sẽ ở nhiệt độ cao quá lâu sẽ gây ra sự xuống cấp nghiêm trọng", Chao-Yang Wang, nhà nghiên cứu- kỹ sư cơ khí tại Đại học bang Pennsylvania nói.
Chưa dừng lại ở đó, nhóm của Wang hiện đang lên kế hoạch đưa thiết kế của họ tiến thêm một bước nữa: "Chúng tôi đang làm việc để sạc pin xe điện chỉ trong năm phút mà không làm hỏng nó. Điều này sẽ đòi hỏi các chất điện phân và vật liệu hoạt động rất ổn định bên cạnh cấu trúc mới mà chúng tôi đã phát minh ra".
Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, nếu nâng nhiệt độ các pin lên 60 độ C thì có thể duy trì tốc độ sạc nhanh trong suốt 1.700 chu kỳ sạc, trong khi lõi kiểm soát thì chỉ có thể duy trì được 60 chu kỳ. Đồng thời, ở nhiệt độ sạc trung bình trong khoảng từ 49 tới 60 độ C, thì hiện tượng mạ lithium không xảy ra. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, càng tăng nhiệt độ sạc, thì càng cần ít cơ chế làm mát để duy trì trạng thái nhiệt ban đầu của lõi. Cụ thể, lõi kiểm soát đã tạo ra 3,05Wh, trong khi lõi ở nhiệt độ 60 độ C lại chỉ tạo ra 1.7Wh.
“Trong quá khứ, mọi người thường tin rằng ta không nên để pin li-ion hoạt động ở nhiệt độ cao, bởi ta lo ngại rằng điều này sẽ đẩy nhanh các phản ứng phụ,” Wang nói. “Tuy nhiên, nghiên cứu này lại cho thấy rằng, việc tránh mạ lithium thông qua nhiệt độ cao và thời gian ngắn, lại mang lại nhiều lợi ích hơn so với các nguy cơ xảy ra phản ứng phụ.”
Ngoài ra, đội ngũ nghiên cứu cũng khẳng định rằng, ta hoàn toàn có thể mở rộng quy mô của công nghệ này, do các lõi đều mô phỏng theo các electrode sẵn có trên thị trường, và đã thể hiện rõ tác dụng trên các lõi quy mô lớn, các mô-đun, cũng như gói pin. Lớp niken sẽ làm tăng giá thành phẩm của lõi lên 0,47%. Tuy nhiên lại giảm đi việc phải sử dụng các cơ chế tăng nhiệt ngoại vi và vì vậy nhìn chung giá thành sản xuất sẽ giảm.
Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục phát triển thiết kế này. “Chúng tôi đang cố tạo ra một pin mới có khả năng sạc trong 5 phút mà không bị giảm tuổi thọ,” Wang chia sẻ. “Để thực hiện được điều này, chúng tôi sẽ cần cho thêm các electrolyte ổn định và các vật liệu hoạt tính vào cấu trúc mới.”