Các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu vật liệu tiên tiến (WPI-AIMR) thuộc Đại học Tohoku ở Nhật Bản tìm ra cách chuyển sang sử dụng oxit giàu mangan để chế tạo điện cực âm bền bỉ với hiệu suất chu kỳ gần như hoàn hảo, tạo ra bước tiến lớn cho pin lithium-ion.

Pin lithium-ion đang giữ vai trò quan trọng trong cuộc sống xung quanh chúng ta. Từ việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử đeo nhỏ gọn đến xe điện chạy hàng trăm kilomet không phát ra khí thải và các hệ thống lưu trữ năng lượng khổng lồ, pin lithium-ion có mặt ở khắp mọi nơi.

Tuy nhiên, việc sử dụng pin lithium-ion không phải là không có vấn đề. Bên cạnh lithium, coban là một thành phần quan trọng trong pin lithium-ion và khá đắt tiền. Thêm vào đó, để có được kim loại giá trị này là các vấn đề về khai thác liên quan đến sử dụng lao động và tác động đến môi trường.

Cực âm và cực dương là hai điện cực trong pin. Hiệu suất của chúng quyết định chất lượng, hiệu quả của pin theo thời gian. Cực âm tương đối tốn kém để chế tạo và việc chuyển từ coban sang mangan có thể là một cách hiệu quả để giảm chi phí.

Các nỗ lực trước đây để sử dụng mangan trong pin lithium-ion gặp phải những vấn đề nghiêm trọng. Một trong số đó là hiệu ứng Jahn-Teller (J-T), trong đó các phân tử phi tuyến tính có trạng thái điện tử cơ bản suy biến trong không gian sẽ trải qua sự biến dạng hình học để giảm năng lượng tổng thể của phân tử.

Những cố gắng trước đây để khắc phục biến dạng J-T trong các ion mangan thường dựa vào việc pha tạp hoặc phủ lớp màng mỏng lên cực âm. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại WPI-AIMR quyết định giải quyết tận gốc của vấn đề và tìm kiếm một giải pháp tác động ở cấp độ nguyên tử để chống lại biến dạng J-T.

Các nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật “quỹ đạo hình học cản trở” tại các giao diện không thẳng hàng để ngăn các electron giảm thiểu năng lượng của chúng và đã thành công trong việc trung hòa các biến dạng J-T dẫn đến sự sụp đổ vật liệu.

Thiết kế này giúp đạt được độ ổn định chu kỳ gần như hoàn hảo, vì các nhà nghiên cứu không thấy sự suy giảm nào của cực âm ngay cả sau 500 chu kỳ. Quan trọng hơn, nó cũng giúp các nhà nghiên cứu kết nối điện hóa học và vật lý chất rắn, thiết lập mô hình mới cho vật liệu năng lượng chống biến dạng.

Việc sử dụng mangan dồi dào và giá rẻ, thay thế cho coban, cũng giúp pin lithium-ion chế tạo với công nghệ này sẽ rẻ hơn, bền hơn và thân thiện hơn với môi trường. Đối với ứng dụng như xe điện, điều này dẫn đến giá xe hợp lý hơn và phạm vi hoạt động đáng tin cậy hơn từ bộ pin, không phải lo lắng về suy giảm hiệu suất theo thời gian.

Ở quy mô lớn hơn, pin lithium-mangan-oxit này sẽ giúp lưu trữ một lượng lớn năng lượng tái tạo, có thể sử dụng trong thời gian nhu cầu cao điểm. Điều này dẫn đến một nền kinh tế sạch hơn, xanh hơn với chi phí thấp hơn. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.