Các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc phát triển loại pin lithium-ion hữu cơ mới, có khả năng hoạt động ở phạm vi nhiệt độ từ -70°C đến 80°C, hiệu suất hơn 250 Wh/kg. Nó có khả năng uốn cong, chịu va đập và tránh nguy cơ cháy nổ thường thấy ở các loại pin thông thường. Công nghệ này đánh dấu bước tiến quan trọng, đưa pin hữu cơ tiến gần hơn đến ứng dụng thực tế.

Công trình nghiên cứu này do Giáo sư Xu Yunhua thuộc Đại học Thiên Tân dẫn đầu, hợp tác với Giáo sư Huang Fei thuộc Đại học công nghệ Nam Trung Quốc. Phát hiện đột phá này được công bố trên tạp chí Nature, tập trung vào cực âm polymer mới, được thiết kế để khắc phục các hạn chế lâu nay của pin hữu cơ.

Pin lithium-ion thông thường, thường dựa vào vật liệu cực âm vô cơ, như lithium coban oxit hoặc lithium sắt photphat. Các vật liệu này hạn chế về tính linh hoạt cơ học, nguồn tài nguyên, rủi ro về an toàn khi va đập hoặc quá nhiệt. Các nhà khoa học từ lâu xem vật liệu hữu cơ là lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn, mặc dù những trở ngại kỹ thuật làm chậm tiến độ.

Cốt lõi của loại pin mới là polymer dẫn điện loại n có tên là poly(benzofuran dione), viết tắt là PBFDO, làm vật liệu cực âm. Theo các nhà nghiên cứu, các cực âm hữu cơ truyền thống thường gặp vấn đề về độ dẫn điện kém và xu hướng các phân tử nhỏ hòa tan vào chất điện phân, làm giảm mật độ năng lượng và tuổi thọ của pin.

Loại polymer PBFDO mới này khắc phục các điểm yếu đó, cho phép vận chuyển ion lithium nhanh chóng. Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu này mang lại độ ổn định cấu trúc và khả năng lưu trữ năng lượng cao. Sự kết hợp này trước đây rất khó đạt được trong các hệ thống hữu cơ, nơi việc cải thiện độ dẫn điện thường làm ảnh hưởng đến các đặc tính khác.

Sử dụng cực âm này, nhóm nghiên cứu chế tạo một pin lithium dạng túi, cho thấy các chỉ số hiệu suất tương đương các pin thương mại. Pin này cung cấp mật độ năng lượng vượt quá 250 Wh/kg, vượt trội so với các pin lithium sắt photphat thông thường, có mật độ từ khoảng 160 - 200 Wh/kg. Con số này cũng cho thấy pin này nằm trong phạm vi của nhiều loại pin xe điện thương mại.

Tính ổn định nhiệt là một đặc điểm nổi bật khác của pin hữu cơ này. Pin hoạt động ổn định trong khoảng nhiệt độ từ -70°C đến 80°C. Để so sánh, pin lithium thông thường có xu hướng giảm hiệu suất khi hoạt động dưới -20°C và suy giảm nhanh chóng trên 50°C, như đã được đề cập trong các bài báo nghiên cứu.

Hoạt động ở phạm vi nhiệt độ rộng như vậy mở ra tiềm năng ứng dụng trong các môi trường khắc nghiệt đối với pin lithium-ion tiêu chuẩn, ngay cả ở các vùng rất lạnh và điều kiện nhiệt độ cao. Nghiên cứu cho thấy hiệu suất ổn định trên toàn bộ phạm vi này mà không ghi nhận hiện tượng cháy nổ hoặc quá nhiệt.

Khả năng chịu lực cơ học cũng là yếu tố cốt lõi trong thiết kế. Vật liệu hữu cơ dẻo, linh hoạt có khả năng chịu uốn cong và dễ tổng hợp cũng như tái chế hơn. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, cực âm hữu cơ vẫn duy trì được cấu trúc nguyên vẹn và dung lượng tối đa sau nhiều lần uốn cong và nén.

Pin dạng túi này đã vượt qua bài kiểm tra an toàn chống đâm thủng, một tiêu chuẩn để đánh giá nguy cơ cháy nổ ở pin lithium. Nó không bắt lửa hoặc phát nổ trong suốt quá trình thử nghiệm. Do cực âm hữu cơ không giải phóng oxy theo cách giống như một số vật liệu vô cơ, nên nguy cơ cháy nổ ngoài tầm kiểm soát được giảm thiểu.

Theo các báo cáo về dự án, nhóm nghiên cứu hiện đang nỗ lực mở rộng quy mô sản xuất và thiết lập dây chuyền sản xuất thí điểm. Đối với pin hữu cơ, từ lâu được xem là đầy hứa hẹn nhưng chưa thực tế, sự phát triển này đánh dấu bước tiến cụ thể từ ý tưởng trong phòng thí nghiệm đến thiết bị được chế tạo.