Thiết kế cải tiến này hứa hẹn pin xe điện (EV) có thể sạc nhanh chỉ trong 20 phút, chịu được hơn 1.500 chu kỳ sạc, giúp loại bỏ nỗi lo về thời gian chờ đợi lâu tại các trạm sạc và tuổi thọ của pin. Bước đột phá này diễn ra khi nhu cầu tăng cao về pin sạc nhanh hơn, tốt hơn, không chỉ với xe điện mà còn nhu cầu lưu trữ năng lượng quy mô lớn để hỗ trợ năng lượng tái tạo.
Pin lithium-ion ngày nay chủ yếu sử dụng cực dương (anode) than chì. Tuy nhiên, tốc độ sạc chậm và khả năng lưu trữ năng lượng hạn chế của than chì là rào cản dai dẳng trong nỗ lực áp dụng rộng rãi EV và lưu trữ năng lượng hiệu quả trên quy mô lưới điện.
Carbon cứng, được biết đến với cấu trúc xốp, cho phép các ion lithium (chất mang năng lượng) di chuyển nhanh hơn nhiều so với than chì, cho phép sạc nhanh. Tuy nhiên, việc kết hợp với thiếc, vật liệu có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn, trước đây rất khó khăn vì thiếc có xu hướng nở ra và phân hủy trong quá trình sạc.
Nhóm nghiên cứu chung từ Đại học khoa học và công nghệ Pohang (POSTECH) và Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc (KIER) phát triển một giải pháp kết hợp carbon cứng với các hạt nano thiếc cực nhỏ. Họ giải quyết vấn đề bằng quy trình sol-gel, sau đó là khử nhiệt, nhúng thành công các hạt nano thiếc phân bố đồng đều dưới 10 nm vào ma trận carbon cứng.
Điều này ngăn ngừa hiện tượng nở ra có hại của thiếc và cũng tạo ra hiệu ứng hỗ trợ khi thiếc tăng cường hiệu suất của carbon cứng, góp phần tăng khả năng lưu trữ năng lượng thông qua các phản ứng hóa học.
Trong các thử nghiệm nghiêm ngặt, pin lithium-ion dùng cực dương mới này cho thấy hiệu suất vượt trội, duy trì hoạt động ổn định trong hơn 1.500 chu kỳ sạc nhanh. Loại pin này còn có mật độ năng lượng cao hơn 1,5 lần so với những loại pin dùng cực dương than chì thông thường. Điều này có nghĩa, pin có khả năng cung cấp phạm vi lái xe dài hơn mà không làm tăng kích thước pin.
Bước đột phá này cũng hứa hẹn cho pin natri-ion (SIB), có tiềm năng rẻ hơn và bền vững hơn. Các ion natri thường có phản ứng kém với vật liệu cực dương thông thường như than chì hoặc silicon. Tuy nhiên, cấu trúc nano hỗn hợp carbon cứng-thiếc vẫn duy trì độ ổn định tuyệt vời trong môi trường natri, nhấn mạnh tính linh hoạt của nó trên nhiều nền tảng pin.
Mặc dù cần phải nghiên cứu thêm và mở rộng quy mô sản xuất, vật liệu cực dương mới này mang đến cái nhìn hấp dẫn về tương lai khi EV có thể sạc nhanh như đổ đầy bình xăng và pin có thời lượng sử dụng lâu hơn đáng kể. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí ACS Nano.
