Các nhà nghiên cứu từ Đại học Fuzhou, Trung Quốc công bố bước đột phá quan trọng trong công nghệ lưu trữ năng lượng, bằng cách phát triển cực âm mangan dioxide (MnO₂) mới với “pha tinh thể kép”, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của pin kẽm-ion dạng dung dịch (AZIB).
Bằng cách thiết kế giao diện độc đáo giữa hai pha tinh thể khác nhau ở cực âm, nhóm nghiên cứu chế tạo ra loại pin kẽm-ion dạng dung dịch thế hệ tiếp theo, có dung lượng cao, khả năng sạc nhanh và tuổi thọ vượt trội.
Pin AZIB từ lâu được coi là lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion, do chi phí thấp, độ an toàn cao và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, việc ứng dụng thực tế MnO₂ - vật liệu được ưa chuộng ở cực âm - bị hạn chế, bởi độ ổn định cấu trúc kém và khả năng đảo ngược hạn chế trong các chu kỳ sạc-xả lặp đi, lặp lại.
Để khắc phục các hạn chế này, nhóm nghiên cứu, do các Giáo sư Mingquan Liu, Wei Yan và Jiujun Zhang dẫn đầu, sử dụng phương pháp tổng hợp thủy nhiệt có hỗ trợ ammonium (NH₄⁺) tiên tiến. Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh chính xác các pha tinh thể MnO₂, tạo ra cấu trúc “pha tinh thể kép” lai (α/δ-MnO₂).
Nhóm nghiên cứu giải thích, bí mật nằm ở sự “không khớp” nhau giữa các mạng tinh thể không đồng nhất. Sự không khớp này tạo ra các cấu trúc khuyết tật hoạt động tại các giao diện giữa pha α và pha δ.
Các khuyết tật này đóng vai trò là các vị trí hoạt động bổ sung, để lưu trữ ion kẽm và hoạt động như “làn đường nhanh” cho sự vận chuyển electron và ion. Hơn nữa, giao diện ổn định ngăn chặn sự sụp đổ cấu trúc thường xảy ra ở oxit mangan đơn pha, đảm bảo pin vẫn bền bỉ theo thời gian.
Kết quả thử nghiệm điện hóa chứng minh hiệu suất vượt trội của cực âm mới:
● Dung lượng cao: Thiết bị có dung lượng riêng đáng kể, lên đến 297,6 mAh/g.
● Sạc nhanh: Thiết bị đạt hiệu suất ấn tượng ngay cả ở mật độ dòng điện cao, đạt 210,1 mAh/g ở tốc độ 3 C.
● Độ ổn định lâu dài: Cực âm giữ lại 93,7% dung lượng ban đầu sau 600 chu kỳ, cho thấy độ bền cao hơn nhiều so với các vật liệu đơn pha truyền thống.
Ngoài các pin dạng đồng xu ở quy mô phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu cũng chứng minh tiềm năng thực tế của công nghệ này bằng cách chế tạo pin kẽm-ion dẻo. Thiết bị này vẫn hoạt động ổn định ngay cả trong điều kiện uốn cong khắc nghiệt, cho thấy triển vọng tương lai của công nghệ này trong thiết bị điện tử đeo được và lưu trữ năng lượng di động.
Nghiên cứu này trình bày một chiến lược thiết kế vật liệu sáng tạo, có thể mở rộng sang các vật liệu điện cực khác ngoài pin kẽm-ion, nhóm nghiên cứu cho biết. Các phát hiện này cung cấp lộ trình rõ ràng để thiết kế các khuyết tật giao diện dị thể, nhằm khai thác tối đa tiềm năng các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu suất cao.
