Vì những lo ngại này, các nhà khoa học và kỹ sư đang nỗ lực nghiên cứu để làm cho pin lithium-ion có tuổi thọ cao hơn, hoạt động an toàn hơn. Pin lithium-ion là pin cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị chúng ta sử dụng hằng ngày, như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, xe điện.

Bên trong pin lithium-ion có điện cực âm, đóng vai trò chính trong việc lưu trữ và giải phóng năng lượng. Các nhà nghiên cứu phát hiện việc thêm lớp phủ cực mỏng vào vật liệu quan trọng ở cực âm của pin, có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Small.

Loại vật liệu cho cực âm được nghiên cứu rộng rãi là oxit lithium niken mangan coban (viết tắt là NMC811). Các nhà khoa học ưa chuộng NMC811 vì nó có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng và có giá tương đối phải chăng so với một số vật liệu khác.

Tuy nhiên, NMC811 có một điểm yếu quan trọng. Theo thời gian, vật liệu này sẽ dần bị phân hủy khi pin sạc và xả lặp đi, lặp lại. Mỗi lần sạc và xả đầy đủ được gọi là một chu kỳ. Trong các chu kỳ này, cực âm có thể giải phóng một lượng nhỏ oxy.

Oxy đó có thể phản ứng với chất điện phân lỏng ở bên trong pin, tạo ra khí và các sản phẩm phụ hóa học không mong muốn. Những phản ứng này làm giảm hiệu suất của pin và đôi khi thậm chí có thể gây ra rủi ro về an toàn.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Arkansas do Xiangbo “Henry” Meng dẫn đầu, thử thêm lớp bảo vệ vào cực âm NMC811. Họ sử dụng kỹ thuật đặc biệt, gọi là lắng đọng lớp nguyên tử để phủ lớp màng làm từ zirconium sulfide. Lớp phủ này cực mỏng, chỉ dày khoảng hai phần tỉ mét.

Mặc dù lớp phủ này rất nhỏ, nhưng nó đóng vai trò quan trọng. Khi oxy được giải phóng từ cực âm trong chu kỳ hoạt động của pin, lớp phủ sulfide sẽ hấp thụ nó. Oxy làm thay đổi cấu trúc hóa học của lớp phủ, biến zirconium sulfide thành zirconium sulfate. Phản ứng này giúp ngăn oxy làm hỏng chất điện phân của pin.

Lớp sulfate mới cũng giúp ổn định bề mặt giữa cực âm và chất điện phân. Nhờ đó, nó làm giảm các phản ứng có hại, ngăn ngừa sự hình thành các vết nứt nhỏ bên trong cực âm và giữ cho vật liệu ổn định về cấu trúc trong quá trình sử dụng lâu dài.

Sự cải thiện hiệu suất rất ấn tượng. Pin sử dụng cực âm NMC811 không có lớp phủ, thường chỉ chịu được khoảng 200 chu kỳ trước khi hiệu suất giảm đáng kể. Với lớp phủ mới, cực âm chịu được hơn 1.000 chu kỳ. Trong các thử nghiệm, pin vẫn giữ được khoảng 60% dung lượng ban đầu ngay cả sau 1.300 chu kỳ.

Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng pin cúc áo nhỏ, thường dùng trong các thiết bị như đồng hồ, máy tính. Tuy nhiên, công nghệ này cuối cùng có thể được sử dụng trong các loại pin lớn hơn nhiều, gồm cả pin trong xe điện và thiết bị điện tử tiêu dùng.

Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm một số lớp phủ sulfide khác nhau. Nếu các thử nghiệm tiếp theo diễn ra tốt đẹp, lớp phủ đơn giản cấp độ nano này có thể giúp pin trong tương lai hoạt động lâu hơn nhiều, đồng thời cải thiện độ an toàn.