Các nhà khoa học đang chuyển sự chú ý sang một công nghệ độc đáo nhưng đầy hứa hẹn: pin nhiệt. Những thiết bị chuyên dụng này hoạt động hiệu quả trong môi trường có nhiệt độ khắc nghiệt mà các loại pin truyền thống không thể hoạt động hiệu quả.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã có một bước tiến lớn bằng cách chế tạo vật liệu cực âm mới, giúp nâng cao hiệu suất đáng kể, đưa chúng ta đến gần hơn với các hệ thống năng lượng nhiệt hiệu quả cao, thiết thực.

Florua kim loại chuyển tiếp được coi là vật liệu cực âm đầy hứa hẹn vì điện áp lý thuyết cao và độ ổn định nhiệt tốt. Tuy nhiên, trong pin thực tế, vật liệu này có xu hướng hòa tan và di chuyển trong chất điện phân trong khi hoạt động, hiện tượng thường gọi là “hiệu ứng con thoi”, gây ra mất hoạt tính vật liệu, giảm dung lượng và hư hỏng cấu trúc lâu dài.

Để giải quyết vấn đề này, một nhóm nghiên cứu từ Viện quy trình kỹ thuật thuộc Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc, phát triển một phương pháp mới để ngăn chặn “hiệu ứng con thoi” trong cực âm florua kim loại chuyển tiếp. Nhóm nghiên cứu tập trung vào pin nhiệt, loại pin hoạt động ở nhiệt độ 350-550°C.

Kết quả nghiên cứu của nhóm, cung cấp nền tảng cơ học cho việc thiết kế pin nhiệt mật độ năng lượng cao thế hệ tiếp theo thông qua kỹ thuật giao diện chính xác. Công trình nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Science ngày 4/1/2026.

Công trình này không chỉ nâng cao hiểu biết lý thuyết về cách triệt tiêu hiệu ứng con thoi trong hệ thống muối nóng chảy, mà nó còn mở ra khả năng mới cho việc ứng dụng các florua kim loại trong các thiết bị lưu trữ năng lượng cao khác.

Pin nhiệt là loại pin điện hóa độc đáo, được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ rất cao, thường trên 300°C. Khác với pin lithium-ion thông thường dễ bị suy giảm hiệu suất khi gặp nhiệt độ cao, pin nhiệt sử dụng muối nóng chảy làm chất điện phân, chỉ dẫn điện ion khi được nung nóng.

Điều này cho phép chúng cung cấp năng lượng tức thời và chịu được môi trường khắc nghiệt có thể phá hủy hệ thống lưu trữ năng lượng thông thường. Các đặc điểm này làm cho pin nhiệt trở nên quan trọng trong một số ngành công nghiệp nhất định như các ứng dụng quân sự, hệ thống hàng không vũ trụ, nguồn điện dự phòng, thiết bị khoan giếng sâu.

Nhưng bất chấp độ bền bỉ, pin nhiệt cho đến nay vẫn gặp một hạn chế cốt lõi: hiệu suất của cực âm. Trong môi trường nhiệt độ cao, các hạt hoạt tính ở cực âm có thể hòa tan vào chất điện phân và di chuyển khỏi vị trí dự định của chúng. Suy giảm này không chỉ làm giảm vật liệu hoạt tính mà còn tạo ra phản ứng phụ làm giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ pin.

Hãy tưởng tượng việc bạn đang cố gắng xây một bức tường vững chắc bằng những viên gạch cứ trôi nổi trong không khí. Về cơ bản, đó là những gì xảy ra khi vật liệu cực âm hòa tan trong pin nhiệt. Kiểm soát hành vi này là một trong những trở ngại lớn để hiện thực hóa các pin nhiệt hiệu suất cao.

Nghiên cứu mới đã giải quyết vấn đề này bằng một phương pháp thiết kế sáng tạo vật liệu. Bước đột phá của họ tập trung vào việc thiết kế lớp vỏ chuyên dụng bao quanh các hạt CoF₂, có thể cho phép vận chuyển ion có lợi một cách chọn lọc, đồng thời ngăn chặn các con đường hòa tan có hại.

Cốt lõi của phương pháp này là lớp vỏ carbon có nguồn gốc từ khung hữu cơ cộng hóa trị (COF). COF là vật liệu tinh thể, xốp, cấu trúc được xác định rõ ràng. Bằng cách chuyển đổi tiền chất COF thành lớp phủ carbon, nhóm nghiên cứu khai thác được các kênh siêu nhỏ đồng nhất của nó, có kích thước khoảng 0,54 nanomet.