Minh Nguyệt
Intern Writer
Các nhà nghiên cứu tại Đại học California San Diego vừa phát triển một phương pháp đơn giản nhưng mạnh mẽ để phân tích hiệu suất của pin lithium kim loại bằng cách sử dụng công cụ hình ảnh quen thuộc: kính hiển vi điện tử quét (SEM). Đột phá này có thể thúc đẩy sự phát triển của những viên pin an toàn hơn, bền bỉ hơn và có mật độ năng lượng cao hơn cho xe điện và lưu trữ năng lượng quy mô lưới. Công trình này đã được công bố trong Tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.
Pin lithium kim loại có khả năng lưu trữ gấp đôi năng lượng so với pin lithium-ion hiện nay, điều này có thể giúp gấp đôi quãng đường đi được của xe điện và kéo dài thời gian sử dụng cho laptop và điện thoại. Tuy nhiên, để hiện thực hóa tiềm năng này, các nhà nghiên cứu phải giải quyết một thách thức lâu dài: kiểm soát hình thái của lithium, tức là cách lithium lắng đọng trên các điện cực trong quá trình sạc và xả. Khi lithium lắng đọng đồng đều, pin có thể đạt được tuổi thọ chu kỳ lâu dài hơn. Ngược lại, khi lithium lắng đọng không đồng đều, nó sẽ hình thành các cấu trúc giống như kim gọi là dendrite, có thể xuyên qua các tấm ngăn của pin và gây ngắn mạch, khiến pin thất bại.
Trước đây, các nhà nghiên cứu chủ yếu xác định độ đồng đều của các lắng đọng lithium qua việc đánh giá trực quan hình ảnh kính hiển vi. Thực tiễn này đã dẫn đến những phân tích không nhất quán giữa các phòng thí nghiệm, gây khó khăn cho việc so sánh kết quả giữa các nghiên cứu khác nhau. "Cái mà một nhóm nghiên cứu pin có thể định nghĩa là đồng đều có thể khác với định nghĩa của nhóm khác," Jenny Nicolas, tác giả chính của nghiên cứu và là ứng viên tiến sĩ tại trường Kỹ thuật Jacobs thuộc UC San Diego, chia sẻ. "Tài liệu về pin cũng sử dụng rất nhiều từ ngữ định tính khác nhau để mô tả hình thái lithium như chunky, mossy, whisker-like, và globular. Chúng tôi nhận thấy cần tạo ra một ngôn ngữ chung để định nghĩa và đo lường độ đồng đều của lithium."
Để giải quyết vấn đề này, Nicolas và các đồng nghiệp, dưới sự dẫn dắt của giáo sư Ping Liu, tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Nano Aiiso Yufeng Li tại UC San Diego, đã phát triển một thuật toán đơn giản phân tích mức độ đồng đều của lithium qua hình ảnh SEM. Họ chọn sử dụng SEM vì công nghệ này cung cấp hình ảnh chi tiết về các điện cực pin bằng cách ghi lại các đặc điểm bề mặt 3D dưới dạng hình ảnh 2D xám. Để áp dụng phương pháp của mình, nhóm nghiên cứu trước tiên chụp hình ảnh SEM của các điện cực pin và chuyển đổi chúng thành các pixel trắng và đen. Pixel trắng đại diện cho các lắng đọng lithium trên cùng trong mẫu, trong khi pixel đen đại diện cho nền hoặc lithium không hoạt động. Hình ảnh sau đó được chia thành nhiều vùng khác nhau, và thuật toán đếm số lượng pixel trắng trong mỗi vùng, sau đó tính toán một chỉ số gọi là chỉ số phân tán (ID).
"Chỉ số phân tán là một thước đo độ đồng đều của lithium," Nicolas giải thích. "Càng gần 0, càng đồng đều hơn các lắng đọng lithium. Giá trị cao hơn có nghĩa là độ không đồng đều nhiều hơn và có sự tập trung của các hạt lithium ở một số khu vực." Nhóm nghiên cứu đã xác minh phương pháp trên 2.048 hình ảnh SEM tổng hợp với các phân bố kích thước hạt đã biết. Các phép đo ID phù hợp với các phân bố thực tế, xác nhận độ chính xác của phương pháp.
Tiếp theo, họ áp dụng phương pháp này vào các hình ảnh điện cực thực tế để phân tích cách hình thái lithium thay đổi theo thời gian dưới các điều kiện chu kỳ khác nhau. Họ phát hiện rằng khi pin hoạt động, chỉ số ID tăng lên cho thấy sự lắng đọng lithium trở nên không đồng đều hơn. Đồng thời, năng lượng cần thiết để lắng đọng lithium cũng gia tăng, một dấu hiệu của sự suy giảm. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các đỉnh và đáy cục bộ trong ID thường xuất hiện ngay trước khi pin gặp sự cố. Những đỉnh và đáy này có thể đóng vai trò như một dấu hiệu cảnh báo sớm về tình trạng ngắn mạch.
Điểm mạnh lớn của phương pháp này là khả năng tiếp cận. Các nhà nghiên cứu pin đã sử dụng hình ảnh SEM như một phần trong nghiên cứu của họ, Nicolas cho biết, và họ có thể sử dụng thuật toán đơn giản được giới thiệu ở đây để tính toán ID từ dữ liệu mà họ đã thu thập. "Công cụ của chúng tôi có thể được coi là một bước khởi đầu thuận lợi, giúp các nhà nghiên cứu nâng cao phân tích của họ lên một tầm cao mới bằng cách tận dụng tối đa khả năng phân tích hình ảnh," cô chia sẻ. Thông tin thêm: Jenny R. Nicolas et al, A quantitative imaging framework for lithium morphology: Linking deposition uniformity to cycle stability in lithium metal batteries, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2502518122. (techxplore)
Pin lithium kim loại có khả năng lưu trữ gấp đôi năng lượng so với pin lithium-ion hiện nay, điều này có thể giúp gấp đôi quãng đường đi được của xe điện và kéo dài thời gian sử dụng cho laptop và điện thoại. Tuy nhiên, để hiện thực hóa tiềm năng này, các nhà nghiên cứu phải giải quyết một thách thức lâu dài: kiểm soát hình thái của lithium, tức là cách lithium lắng đọng trên các điện cực trong quá trình sạc và xả. Khi lithium lắng đọng đồng đều, pin có thể đạt được tuổi thọ chu kỳ lâu dài hơn. Ngược lại, khi lithium lắng đọng không đồng đều, nó sẽ hình thành các cấu trúc giống như kim gọi là dendrite, có thể xuyên qua các tấm ngăn của pin và gây ngắn mạch, khiến pin thất bại.
Trước đây, các nhà nghiên cứu chủ yếu xác định độ đồng đều của các lắng đọng lithium qua việc đánh giá trực quan hình ảnh kính hiển vi. Thực tiễn này đã dẫn đến những phân tích không nhất quán giữa các phòng thí nghiệm, gây khó khăn cho việc so sánh kết quả giữa các nghiên cứu khác nhau. "Cái mà một nhóm nghiên cứu pin có thể định nghĩa là đồng đều có thể khác với định nghĩa của nhóm khác," Jenny Nicolas, tác giả chính của nghiên cứu và là ứng viên tiến sĩ tại trường Kỹ thuật Jacobs thuộc UC San Diego, chia sẻ. "Tài liệu về pin cũng sử dụng rất nhiều từ ngữ định tính khác nhau để mô tả hình thái lithium như chunky, mossy, whisker-like, và globular. Chúng tôi nhận thấy cần tạo ra một ngôn ngữ chung để định nghĩa và đo lường độ đồng đều của lithium."
Để giải quyết vấn đề này, Nicolas và các đồng nghiệp, dưới sự dẫn dắt của giáo sư Ping Liu, tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Nano Aiiso Yufeng Li tại UC San Diego, đã phát triển một thuật toán đơn giản phân tích mức độ đồng đều của lithium qua hình ảnh SEM. Họ chọn sử dụng SEM vì công nghệ này cung cấp hình ảnh chi tiết về các điện cực pin bằng cách ghi lại các đặc điểm bề mặt 3D dưới dạng hình ảnh 2D xám. Để áp dụng phương pháp của mình, nhóm nghiên cứu trước tiên chụp hình ảnh SEM của các điện cực pin và chuyển đổi chúng thành các pixel trắng và đen. Pixel trắng đại diện cho các lắng đọng lithium trên cùng trong mẫu, trong khi pixel đen đại diện cho nền hoặc lithium không hoạt động. Hình ảnh sau đó được chia thành nhiều vùng khác nhau, và thuật toán đếm số lượng pixel trắng trong mỗi vùng, sau đó tính toán một chỉ số gọi là chỉ số phân tán (ID).
"Chỉ số phân tán là một thước đo độ đồng đều của lithium," Nicolas giải thích. "Càng gần 0, càng đồng đều hơn các lắng đọng lithium. Giá trị cao hơn có nghĩa là độ không đồng đều nhiều hơn và có sự tập trung của các hạt lithium ở một số khu vực." Nhóm nghiên cứu đã xác minh phương pháp trên 2.048 hình ảnh SEM tổng hợp với các phân bố kích thước hạt đã biết. Các phép đo ID phù hợp với các phân bố thực tế, xác nhận độ chính xác của phương pháp.
Tiếp theo, họ áp dụng phương pháp này vào các hình ảnh điện cực thực tế để phân tích cách hình thái lithium thay đổi theo thời gian dưới các điều kiện chu kỳ khác nhau. Họ phát hiện rằng khi pin hoạt động, chỉ số ID tăng lên cho thấy sự lắng đọng lithium trở nên không đồng đều hơn. Đồng thời, năng lượng cần thiết để lắng đọng lithium cũng gia tăng, một dấu hiệu của sự suy giảm. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các đỉnh và đáy cục bộ trong ID thường xuất hiện ngay trước khi pin gặp sự cố. Những đỉnh và đáy này có thể đóng vai trò như một dấu hiệu cảnh báo sớm về tình trạng ngắn mạch.
Điểm mạnh lớn của phương pháp này là khả năng tiếp cận. Các nhà nghiên cứu pin đã sử dụng hình ảnh SEM như một phần trong nghiên cứu của họ, Nicolas cho biết, và họ có thể sử dụng thuật toán đơn giản được giới thiệu ở đây để tính toán ID từ dữ liệu mà họ đã thu thập. "Công cụ của chúng tôi có thể được coi là một bước khởi đầu thuận lợi, giúp các nhà nghiên cứu nâng cao phân tích của họ lên một tầm cao mới bằng cách tận dụng tối đa khả năng phân tích hình ảnh," cô chia sẻ. Thông tin thêm: Jenny R. Nicolas et al, A quantitative imaging framework for lithium morphology: Linking deposition uniformity to cycle stability in lithium metal batteries, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2502518122. (techxplore)
