Ứng dụng máy học trong nghiên cứu chế tạo pin lithium

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy học để tìm kiếm các mẫu trong dữ liệu, kết hợp với kết quả từ phòng thí nghiệm. Từ đó, nhóm tìm được lời giải cho quá trình rút ngắn tuổi thọ của pin lithium-ion. 
Theo phó giáo sư Will Chueh thuộc Đại học Stanford, trưởng nhóm nghiên cứu: "Đây là lần đầu tiên phương pháp tiếp cận này được áp dụng cho việc thiết kế pin lithium. Kết quả hoàn toàn trái ngược với những giả định lâu nay về cách pin lithium-ion sạc/xả, đồng thời cung cấp cho các nhà khoa học một bộ quy tắc mới về kỹ thuật kéo dài tuổi thọ cho pin lithium".

Patrick Herring thuộc Viện nghiên cứu Toyota, thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết thêm: "Công nghệ pin rất quan trọng đối với bất kỳ loại hệ thống truyền động điện nào. Khi hiểu được các phản ứng cơ bản xảy ra trong pin, chúng tôi có thể tìm cách để pin sạc nhanh hơn, tuổi thọ lâu hơn và thiết kế vật liệu pin tốt hơn. Chúng tôi mong muốn có thể tạo ra loại pin có hiệu suất tốt hơn, chi phí thấp hơn”. 
Nhóm nghiên cứu đã phóng to các điện cực được làm từ các hạt có kích thước nano kết dính với nhau. Các ion liti di chuyển qua lại giữa cực âm và cực dương trong quá trình sạc - xả, thấm vào các hạt và chảy ngược trở lại. Việc di chuyển qua lại liên tục này khiến các hạt phồng lên, co lại và nứt vỡ, dần dần làm giảm khả năng lưu trữ điện tích khiến cho sạc nhanh trở nên không an toàn và giảm tuổi thọ của pin.
Để nghiên cứu rõ hơn về quá trình này, nhóm đã quan sát hoạt động của các catốt làm bằng hợp chất NMC (niken, mangan và coban). Đây là một trong những vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong pin xe điện. Các hạt này hấp thụ các ion lithium khi pin phóng điện và giải phóng chúng khi sạc.
Các nhà khoa học sử dụng tia X của phòng thí nghiệm Stanford Synchrotron Radiation Lightsource thuộc SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, Đại học Stanford) để quan sát tốt hơn các catốt trong quá trình sạc nhanh. Sau đó, họ đưa các catốt đến phòng thí nghiệm Advanced Light Source,Lawrence Berkeley để kiểm tra các catốt riêng lẻ dưới kính hiển vi, quét bằng tia X. Dữ liệu từ các thí nghiệm, cùng với thông tin từ mô hình toán học, phương trình mô tả hóa học và vật lý của quá trình sạc nhanh, tất cả được đưa vào các thuật toán máy học của hệ thống.
Stephen Dongmin Kang, thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết: "Thay vì để máy tính trực tiếp tìm ra mô hình bằng cách cung cấp dữ liệu cho nó, như chúng tôi đã làm trong hai nghiên cứu trước, chúng tôi đã dạy máy tính cách chọn hoặc học các phương trình phù hợp”.

Hai quan điểm tương phản về cách các hạt điện cực giải phóng các ion lithium được lưu trữ của chúng trong quá trình sạc pin

Hình ảnh trên cho thấy hai quan điểm tương phản về cách các hạt điện cực giải phóng các ion lithium được lưu trữ trong quá trình sạc pin. Các hạt màu đỏ chứa đầy liti và các hạt màu xanh lục là rỗng. Các nhà khoa học từng cho rằng các ion chảy ra khỏi tất cả các hạt cùng một lúc với tốc độ gần như nhau (bên trái). Nhưng nghiên cứu mới đã vẽ ra một bức tranh khác (bên phải): Một số hạt giải phóng rất nhiều ion ngay lập tức, trong khi những hạt khác giải phóng ion chậm hoặc hoàn toàn không. Mô hình không đồng đều này gây căng thẳng cho pin và giảm tuổi thọ của pin.
Theo ông Kang, các nhà khoa học thường cho rằng sự khác biệt giữa các hạt là không đáng kể và khả năng lưu trữ và giải phóng ion của chúng bị hạn chế do tốc độ di chuyển của liti bên trong các hạt. Các ion liti chảy vào và ra khỏi tất cả các hạt cùng một lúc và với tốc độ gần như nhau. Nhưng cách tiếp cận mới cho thấy các hạt tự kiểm soát tốc độ di chuyển của các ion lithium ra khỏi các catốt khi pin sạc. Một số hạt ngay lập tức giải phóng rất nhiều ion của chúng trong khi những hạt khác giải phóng rất ít hoặc hoàn toàn không có. Và các hạt giải phóng nhanh tiếp tục giải phóng các ion với tốc độ nhanh hơn so với các hạt xung quanh - hiệu ứng "giàu càng giàu" chưa được xác định trước đây.
Ông Kang nói: “Bây giờ chúng ta có một bức tranh - theo nghĩa đen là một bộ phim - về cách liti di chuyển bên trong pin và nó rất khác so những nhận định trước đây của các nhà khoa học”. "Việc sạc và xả không đồng đều này làm giảm tuổi thọ của các điện cực. Hiểu được quá trình này ở mức độ cơ bản là một bước quan trọng để giải quyết vấn đề sạc nhanh."
Các nhà khoa học cho biết phương pháp mới của họ có tiềm năng cải thiện chi phí, khả năng lưu trữ, độ bền và các đặc tính quan trọng khác của pin cho nhiều ứng dụng, từ xe điện đến máy tính xách tay đến lưu trữ năng lượng tái tạo với quy mô lớn .
Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature Materials.
 

Diệu Huyền (CESTI) - Theo Techxplore.com