Vào ngày 22 tháng 3, một nhóm nghiên cứu do Đại học Glasgow (UOG) ở Vương quốc Anh dẫn đầu đã sử dụng tinh bột thực vật và ống nano carbon làm vật liệu điện cực để tạo ra một loại pin lithium mới sử dụng công nghệ in 3D. Điều này sẽ cung cấp nguồn năng lượng xanh hơn, dung lượng cao hơn cho các thiết bị di động. Các kết quả nghiên cứu liên quan đã được đăng trên tạp chí "Power Supply Magazine".
Pin lithium-ion có trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn và có hiệu suất đạp xe tốt nên là loại pin lý tưởng để sử dụng làm nguồn năng lượng cho máy tính xách tay, điện thoại di động, đồng hồ thông minh và xe điện. Pin lithium-ion chứa một điện cực dương làm từ lithium coban, mangan oxit hoặc lithium iron phosphate và một điện cực âm làm từ lithium kim loại. Trong quá trình sạc, các ion lithium chảy từ điện cực dương sang điện cực âm thông qua chất điện phân. Trong quá trình phóng điện, các ion chảy theo hướng ngược lại, tạo ra năng lượng thông qua phản ứng điện hóa cung cấp năng lượng cho thiết bị.
Độ dày điện cực là một trong những yếu tố vật lý chính ảnh hưởng đến việc lưu trữ và giải phóng năng lượng trong pin Li-ion. Các điện cực dày không chỉ hạn chế hiệu ứng khuếch tán của các ion lithium trên điện cực, do đó hạn chế năng lượng riêng của pin lithium-ion mà còn làm giảm khả năng chịu lực của pin, khiến pin dễ bị hỏng do nứt hơn.
Pin do UOG thiết kế nhằm mục đích tạo ra sự cân bằng tốt hơn giữa kích thước điện cực và diện tích bề mặt điện cực bằng cách đưa vào các lỗ có kích thước nano. Diện tích bề mặt của các điện cực vi xốp được tăng lên đáng kể so với các điện cực rắn có cùng kích thước bên ngoài. Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ in 3D, được gọi là sản xuất phụ gia, để kiểm soát chính xác kích thước và vị trí của các vi lỗ trên các điện cực. Nguyên liệu thô để in 3D chủ yếu là axit polylactic, lithium-iron phosphate và ống nano carbon. Trong số đó, axit polylactic là một vật liệu phân hủy sinh học được chế biến từ tinh bột ngô, tinh bột mía và tinh bột củ cải, giúp cải thiện hiệu quả khả năng tái chế của pin.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hiệu suất của các điện cực tròn với các độ dày khác nhau (100, 200 và 300 micron), các kết hợp vật liệu khác nhau (hàm lượng ống nano carbon từ 3% đến 10%) và độ xốp vi mô khác nhau (10% đến 70%). Kết quả cho thấy điện cực có độ dày 300 micron và độ xốp vi mô 70% có hiệu suất tốt nhất và năng lượng riêng của nó là 151mAh·g-1, gấp khoảng 2 ~ 3 lần dung lượng của pin lithium-ion truyền thống sử dụng điện cực rắn có cùng độ dày. Phương pháp tối ưu hóa này cũng giải quyết vấn đề gây ra bởi độ dày điện cực. So với điện cực dày 100 micron, dung lượng lưu trữ của điện cực dày 300 micron đã tăng 158%.
Tiến sĩ Shanmugam Kumar, tác giả của bài báo và trưởng dự án, cho biết: "Pin lithium-ion đã chiếm một vị trí quan trọng trong cuộc sống hàng ngày. Với quá trình điện khí hóa và phát triển bền vững hơn nữa, tầm quan trọng của chúng sẽ tiếp tục tăng lên. Tuy nhiên, bản thân pin lithium-ion đã có Không thể bỏ qua các vấn đề về tính bền vững. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng quy trình in 3D để kiểm soát chính xác độ xốp vi mô của các điện cực, ở một mức độ nào đó, bù đắp cho những thiếu sót của pin lithium-ion hiện có. Chúng tôi hy vọng sẽ tiếp tục khám phá cấu trúc vi mô này. Khả năng ứng dụng tiềm năng vật liệu điện cực, sau đó phát triển pin lithium có thể tái chế với hiệu suất tốt hơn và phục hồi dễ dàng hơn." Tạp chí Science Grand View Garden