Pin thể rắn từ lâu đã được kỳ vọng là "chén thánh" của ngành năng lượng nhờ khả năng lưu trữ vượt trội và độ an toàn cao hơn hẳn pin Lithium-ion truyền thống. Thay vì sử dụng dung dịch điện phân dễ cháy, loại pin này dùng một lớp gốm rắn chắc để ngăn cách các cực. Thế nhưng, một trở ngại lớn vẫn tồn tại: các nhánh tinh thể lithium (dendrites) vẫn có thể mọc xuyên qua lớp gốm này, gây đoản mạch.

Suốt một thời gian dài, các kỹ sư tập trung xử lý vấn đề từ góc độ điện học. Họ cho rằng các lỗi trong quá trình dẫn điện đã tạo điều kiện cho các nhánh cây này phát triển. Tuy nhiên, bằng các phương pháp quan sát siêu vi, nhóm nghiên cứu tại Viện Max Planck đã chứng minh rằng đây thực chất là một bài toán cơ học vật lý.

Mặc dù lithium là một kim loại có đặc tính rất mềm, nhưng khi tích tụ bên trong các kẽ hở siêu nhỏ của lớp điện phân gốm trong quá trình sạc, nó lại tạo ra một áp suất thủy tĩnh vô cùng lớn. Tiến sĩ Yuwei Zhang, thành viên nhóm nghiên cứu, mô tả hiện tượng này tương tự như một vòi phun nước áp suất cao có thể cắt rời các khối đá cứng.

Khi áp suất tích tụ đủ lớn, nó sẽ tạo ra những vết nứt li ti trên bề mặt gốm. Lithium tiếp tục tràn vào các khe nứt này, đóng vai trò như một chiếc nêm, đẩy vết nứt lan rộng cho đến khi xuyên thủng hoàn toàn lớp ngăn cách giữa hai cực. Đây chính là thời điểm hiện tượng đoản mạch và cháy nổ xảy ra. Khám phá này đã làm thay đổi hoàn toàn tư duy của các nhà sản xuất pin: họ không chỉ cần một vật liệu dẫn điện tốt, mà còn phải là một vật liệu chịu được áp lực cơ học cực lớn.

Việc tìm ra nguyên nhân gốc rễ đã mở ra "đơn thuốc" chính xác để giải quyết vấn đề. Thay vì tìm cách thay đổi dòng điện, các nhà khoa học đang hướng tới việc tối ưu hóa cấu trúc cơ học của viên pin. Các giải pháp đang được thử nghiệm bao gồm việc thiết kế các lớp phủ bảo vệ đặc biệt hoặc tạo ra các khoảng trống vi mô thông minh bên trong cấu trúc gốm. Các khoảng trống này sẽ đóng vai trò như "buồng đệm", giúp điều hướng và giải tỏa áp suất khi lithium tích tụ, ngăn chặn việc hình thành các vết nứt.

Thành tựu này được đánh giá là bước ngoặt quyết định để đưa pin thể rắn rời khỏi phòng thí nghiệm và bước vào dây chuyền sản xuất đại trà. Khi lỗi đoản mạch được khắc phục triệt để, các hãng xe điện có thể tự tin tung ra thị trường những mẫu xe có tầm hoạt động lên tới hàng ngàn km, với thời gian sạc rút ngắn đáng kể và đặc biệt là sự an toàn tuyệt đối cho người dùng. Đây chính là mảnh ghép cuối cùng để biến những thiết bị di động và phương tiện giao thông thế hệ mới trở nên hoàn thiện hơn bao giờ hết.

Phạm Tuấn