Nghiên cứu này tập trung vào vật liệu là Mg4C60, sử dụng liên kết cộng hóa trị để giải quyết vấn đề độ ổn định trong cực dương dựa trên carbon. Cấu hình này cho phép lưu trữ lithium theo cách ngăn ngừa các lỗi cấu trúc liên quan đến vật liệu fullerene trong hệ thống lưu trữ năng lượng.
Hầu hết pin lithium-ion hiện nay sử dụng than chì (graphite) làm vật liệu cực dương. Tuy nhiên, than chì có những hạn chế về mặt vật lý, liên quan đến tốc độ mà nó nhận điện tích.
Một mối lo ngại với than chì là nguy cơ lắng đọng lithium, xảy ra khi các ion lithium tích tụ trên bề mặt cực dương, thay vì được hấp thụ vào cấu trúc cực dương. Hiện tượng này có thể gây ra rủi ro về an toàn và làm giảm tuổi thọ của pin.
Thời gian qua, các nhà khoa học đã tìm kiếm vật liệu khác để thay thế cho than chì. Fullerene, còn được gọi là C60, được xác định là ứng cử viên tiềm năng, nhờ các tính chất hóa học và khả năng thúc đẩy phản ứng oxy hóa khử.
Nhưng việc ứng dụng fullerene trong pin bị hạn chế bởi độ ổn định kém. Trong các thí nghiệm trước đây, các fulleride hòa tan vào chất điện phân carbonate trong quá trình hoạt động của pin. Sự hòa tan này khiến vật liệu mất đi khả năng chịu lực, dẫn đến sự sụp đổ cấu trúc bên trong.
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Tohoku giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra khung fullerene liên kết cộng hóa trị, sử dụng các nguyên tử magie. Các nguyên tử magie này tạo điều kiện thuận lợi cho các kết nối thông qua liên kết đơn C–C và phản ứng cộng vòng [2+2].
Quá trình hóa học này biến đổi vật liệu từ chất rắn phân tử van der Waals thành khung polymer nhiều lớp. Nghiên cứu này nhằm đặc trưng hóa vật liệu Mg4C60. Kết quả cho thấy, liên kết cộng hóa trị ngăn chặn sự hòa tan khung và duy trì tính toàn vẹn cấu trúc.
Không giống như phân tử C60 ban đầu, trải qua một số chuyển pha trong quá trình lưu trữ lithium, Mg4C60 thể hiện cấu hình điện hóa dạng dốc. Cấu trúc này tương tự như của carbon mềm nhưng hình thành từ một khung cấu trúc hai chiều có trật tự.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong khi các lồng fullerene riêng lẻ trải qua sự biến dạng thuận nghịch thì cấu trúc khung liên kết tổng thể vẫn còn nguyên vẹn. Tính ổn định này cho phép lưu trữ lithium thuận nghịch mà không làm suy giảm vật liệu.
Bằng cách duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của khung, trong khi cho phép tái cấu trúc trạng thái điện tử, khung Mg4C60 giải quyết các rào cản kỹ thuật trước đây ngăn cản việc sử dụng fullerene trong lưu trữ năng lượng thương mại.
Những kết quả này cung cấp một phác thảo thiết kế cho vật liệu pin. Việc sử dụng Mg4C60 có thể dẫn đến chế tạo pin hỗ trợ sạc nhanh, có mật độ năng lượng cao hơn. Tuổi thọ dài hơn cho hệ thống pin sẽ mang lại lợi ích cho xe điện, thiết bị điện tử tiêu dùng và lưu trữ năng lượng tái tạo.
Nghiên cứu này cũng chứng minh, carbon có thể lưu trữ lithium một cách ổn định, ngăn ngừa sự mất mát vật liệu hoạt tính. Điều này thể hiện bước tiến kỹ thuật trong cách các nhà nghiên cứu thiết kế cực dương chứa carbon cho các ứng dụng năng lượng.
