Một nhóm nghiên cứu tại Đại học khoa học và công nghệ Hồng Kông (HKUST) công bố bước tiến lớn trong việc phát triển pin canxi-ion, có thể tác động đến cách lưu trữ năng lượng trong các thiết bị hằng ngày. Bằng cách tích hợp chất điện phân bán rắn (QSSE), các nhà khoa học tạo ra loại pin canxi-ion mới, được thiết kế để cải thiện cả hiệu suất và tính bền vững.
Sự đổi mới này có thể hỗ trợ lưu trữ năng lượng tái tạo, pin xe điện và các ứng dụng khác tiêu thụ nhiều năng lượng. Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Science trong bài báo có tiêu đề “Pin canxi-ion bán rắn hiệu suất cao từ chất điện phân khung hữu cơ cộng hóa trị hoạt tính oxy hóa khử”.
Khi đầu tư trên toàn cầu vào năng lượng tái tạo tăng tốc, nhu cầu về pin dung lượng cao, đáng tin cậy tiếp tục tăng lên. Pin lithium-ion hiện đang chi phối thị trường, nhưng các lo ngại về nguồn cung lithium hạn chế và những hạn chế về mật độ năng lượng đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp thay thế.
Pin canxi-ion có một số lợi thế. Canxi khá phổ biến và pin canxi-ion hoạt động trong phạm vi điện hóa tương đương với pin lithium-ion. Mặc dù vậy, các thách thức thực tiễn làm chậm sự phát triển của chúng. Việc di chuyển hiệu quả ion canxi bên trong pin rất khó đạt được, việc duy trì hiệu suất ổn định qua nhiều chu kỳ sạc cũng là vấn đề nan giải.
Các hạn chế này làm cản trở pin canxi-ion cạnh tranh với pin lithium-ion thương mại. Để giải quyết các vấn đề kỹ thuật này, nhóm nghiên cứu tại HKUST đã phát triển các khung hữu cơ cộng hóa trị oxy hóa khử, tính năng như QSSE. QSSE giàu nhóm carbonyl này đạt được độ dẫn ion mạnh (0,46 mS cm–1) và khả năng vận chuyển Ca2+ (>0,53) ở nhiệt độ phòng.
Thông qua sự kết hợp giữa thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô phỏng tính toán, các nhà nghiên cứu xác định, các ion Ca2+ di chuyển nhanh chóng dọc theo các nhóm carbonyl được sắp xếp thẳng hàng bên trong các lỗ rỗng có trật tự của khung hữu cơ cộng hóa trị. Cấu trúc đường dẫn này cho phép vận chuyển ion nhanh hơn, góp phần cải thiện độ ổn định của pin.
Sử dụng phương pháp này, nhóm nghiên cứu chế tạo pin canxi-ion hoàn chỉnh, có dung lượng riêng thuận nghịch là 155,9 mAh g–1 ở dòng điện 0,15 A g–1. Ngay cả ở dòng điện 1 A g–1, pin vẫn giữ được hơn 74,6% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc và xả. Các kết quả này chứng minh tiềm năng của khung hữu cơ cộng hóa trị oxy hóa khử trong việc thúc đẩy đáng kể công nghệ pin canxi-ion, đưa nó đến gần hơn với ứng dụng thực tiễn.
Công trình nghiên cứu này nhấn mạnh tiềm năng của pin canxi-ion như giải pháp thay thế bền vững cho pin lithium-ion. Bằng cách tận dụng các đặc tính độc đáo của khung hữu cơ cộng hóa trị oxy hóa khử, nhóm nghiên cứu tiến một bước quan trọng hướng tới hiện thực hóa các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu suất cao, có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng xanh hơn trong tương lai.
