Bước đột phá có thể mở ra tiềm năng của vật liệu này, mang đến pin lithium-ion lâu bền hơn cho xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và các thiết bị điện tử khác, có thể chấm dứt kỷ nguyên phải thay pin thường xuyên.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials tiết lộ lý do tại sao LiNiO₂, mặc dù được phát hiện sớm vào những năm 1950, sau đó được công nhận là vật liệu cathode đầy hứa hẹn, vẫn gặp khó khăn trong việc thương mại hóa do bị xuống cấp sau nhiều chu kỳ sạc.

LiNiO₂ nổi lên như một sự thay thế hấp dẫn cho vật liệu cathode truyền thống cách đây vài thập kỷ. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi vật liệu này bị cản trở bởi tính không ổn định về cấu trúc vốn có của nó. Trong pin lithium-ion, sự suy giảm dung lượng xảy ra nhanh trong quá trình tuần hoàn do sự chuyển pha không thể đảo ngược, sự pha trộn cation và mất oxy. Điều này dẫn đến giảm tuổi thọ và khả năng thương mại của pin đối với các ứng dụng có mật độ năng lượng cao.

Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu tại UT Dallas sử dụng mô hình tính toán để phân tích các quá trình cấp độ nguyên tử xảy ra trong giai đoạn sạc cuối cùng. Phân tích của họ cho thấy phản ứng hóa học liên quan đến các nguyên tử oxy trong cấu trúc LiNiO₂ khiến vật liệu trở nên không ổn định và nứt.

Từ phân tích mới này, nhóm nghiên cứu đưa ra một giải pháp lý thuyết: gia cố cathode LiNiO₂ bằng cách đưa ion tích điện dương hoặc cation vào, để tạo thành “trụ” giúp tăng cường vật liệu và ức chế quá trình phân hủy của nó.

Bằng cách giải quyết thách thức chính về sự phân hủy của LiNiO₂, bắt nguồn từ quá trình chuyển pha không thể đảo ngược, sự pha trộn cation và mất oxy, nghiên cứu của nhóm UT Dallas là bước tiến đáng kể trong việc vượt qua một trong những rào cản chính đối với hiệu suất của pin lithium-ion thế hệ tiếp theo.

Nhóm UT Dallas đang có kế hoạch để đưa công nghệ này từ quy mô phòng thí nghiệm đi vào thực tế. Sự phát triển này có thể mở đường cho các loại pin có hiệu suất cao hơn, giúp cung cấp thời lượng pin dài hơn trong nhiều sản phẩm, như điện thoại, xe điện và các ngành công nghiệp khác.