Pin calcium-ion tuổi thọ 1.000 chu kỳ, có tiềm năng thay thế pin lithium-ion

Nhóm nghiên cứu tại Đại học khoa học và công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã phát triển loại pin calcium-ion mới, cải thiện đáng kể về độ ổn định và hiệu suất. Nhóm nghiên cứu xây dựng hệ thống này bằng cách sử dụng chất điện phân bán rắn dựa trên khung hữu cơ cộng hóa trị có hoạt tính oxy hóa khử.

Pin calcium-ion được xem là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion vì canxi dồi dào và giá thành rẻ. Pin calcium-ion cũng cung cấp phạm vi điện hóa tương đương. Tuy nhiên, việc triển khai loại pin này trong thực tế bị cản trở bởi khả năng vận chuyển ion kém và chu kỳ hoạt động không ổn định.

Pin lithium-ion hiện đang chi phối thị trường, sử dụng cho các thiết bị điện tử tiêu dùng, xe điện, hệ thống lưu trữ quy mô lưới điện. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên lithium có hạn và việc nâng cao mật độ năng lượng hơn nữa ngày càng trở nên khó khăn. Điều đó thúc đẩy việc tìm kiếm các công nghệ pin thế hệ tiếp theo.

Hệ thống pin calcium-ion phải đối mặt với một thách thức cốt lõi: vận chuyển ion Ca²⁺ hiệu quả qua chất điện phân trong khi vẫn duy trì sự ổn định cấu trúc qua nhiều chu kỳ sạc và xả. Nếu không có sự vận chuyển ion nhanh chóng, hiệu suất sẽ giảm và quá trình xuống cấp sẽ tăng nhanh.

Nhóm nghiên cứu tại HKUST đã giải quyết vấn đề này, bằng cách thiết kế các khung hữu cơ cộng hóa trị giàu nhóm carbonyl, hoạt động như chất điện phân bán rắn. Các vật liệu này tạo ra các kênh thẳng hàng, dẫn hướng các ion canxi đi qua cấu trúc.

Theo các nhà nghiên cứu, chất điện phân mới đạt được độ dẫn điện ion là 0,46 mS cm^–1 và khả năng vận chuyển Ca²⁺ lớn hơn 0,53 ở nhiệt độ phòng. Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng cho thấy, ion canxi di chuyển nhanh chóng dọc theo các nhóm carbonyl thẳng hàng bên trong các lỗ xốp COF có trật tự.

Thiết kế vật liệu này cho phép nhóm nghiên cứu lắp ráp một pin calcium-ion hoàn chỉnh. Pin này cung cấp dung lượng riêng có thể đảo ngược là 155,9 mAh g^–1 ở tốc độ 0,15 A g^–1. Nó cũng giữ lại hơn 74,6% dung lượng ở tốc độ 1 A g^–1 sau 1.000 chu kỳ.  Kết quả cho thấy công nghệ này đang tiến gần hơn đến ứng dụng thực tế, đặc biệt ở lĩnh vực ưu tiên tính bền vững và chi phí.

Bước tiến này nhắm vào một trong những điểm yếu lớn nhất của pin calcium-ion: vận chuyển cation chậm. Bằng cách cải thiện khả năng di chuyển của ion, đồng thời vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc, nhóm nghiên cứu đã giải quyết được cả hiệu quả và độ bền.

Chất điện phân bán rắn cũng mang lại lợi thế về an toàn so với dạng lỏng, bởi nó giảm nguy cơ rò rỉ và cải thiện độ ổn định cơ học. Điều đó có thể làm cho công nghệ này trở nên hấp dẫn đối với xe điện và lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện, nơi sự an toàn và tuổi thọ cao là rất quan trọng.

Nghiên cứu này được thực hiện với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu tại Đại học Shanghai Jiao Tong. Mặc dù cần nghiên cứu thêm để mở rộng quy mô công nghệ và xác nhận tính thương mại khả thi, nhưng kết quả cho thấy pin calcium-ion có thể đạt được các chỉ số cạnh tranh hiệu suất.

Kết quả nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Science.