Liệu pin magie có thể thay thế pin lithium?

Pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện tử hiện nay, từ máy tính xách tay, điện thoại thông minh, đến xe điện. Nhưng loại pin này có mật độ năng lượng hạn chế, vì chỉ có thể lưu trữ một lượng năng lượng nhất định trên kích thước hay trọng lượng của chúng. Đó là lý do các thiết bị nhanh hết pin, sạc mất nhiều thời gian và phạm vi hoạt động của xe điện bị hạn chế.

Để lưu trữ năng lượng nhiều hơn nữa với cùng kích thước hay trọng lượng, cần nghiên cứu các công nghệ lưu trữ năng lượng mới. Nhóm nghiên cứu tại Indian Institute of Science (IISc) đang khám phá giải pháp với pin magie. Magie có thể cung cấp năng lượng gần gấp đôi so với lithium, vì mỗi nguyên tử magie có thể trao đổi hai electron, trong khi lithium chỉ trao đổi một electron.

Nhưng việc ứng dụng pin magie vào thực tế rất khó khăn, vì các vật liệu cực âm (cathode) hiện có không cho phép các ion magie di chuyển hiệu quả. Thông thường, cực âm của pin sử dụng vật liệu magie tinh thể, nơi các nguyên tử được sắp xếp theo mô hình trật tự. Magie di chuyển chậm trong các cấu trúc này, làm chậm pin.

Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu do Gautam Gopalakrishnan dẫn đầu, xem xét các vật liệu vô định hình, có cấu trúc nguyên tử hỗn loạn, có thể hoạt động như miếng bọt biển, hấp thụ và giải phóng các ion magie dễ dàng hơn. Nhóm nghiên cứu tạo ra mô hình tính toán vật liệu vanadium pentoxide vô định hình để xem tốc độ ion magie di chuyển như thế nào bên trong nó.

Để mô phỏng điều này một cách hiệu quả, họ kết hợp hai phương pháp: lý thuyết hàm mật độ (DFT), chính xác nhưng chậm, và động lực học phân tử (MD), nhanh nhưng kém chính xác hơn. Họ sử dụng máy học để thu hẹp khoảng cách giữa tốc độ và độ chính xác, bằng cách đào tạo mô hình trên dữ liệu DFT để chạy mô phỏng MD quy mô lớn.

Kết quả thật ấn tượng: các ion magie di chuyển nhanh hơn khoảng 100.000 lần trong vật liệu vô định hình so với các vật liệu tinh thể tốt nhất. Điều này có thể cải thiện đáng kể mật độ năng lượng và tốc độ sạc. Nhóm nghiên cứu hy vọng các nhà nghiên cứu thực nghiệm sẽ thử nghiệm vật liệu này trong pin thực tế, mở ra tiềm năng cho những loại pin nhỏ hơn, mạnh hơn dành cho thiết bị điện tử và xe điện.