Một nhóm nghiên cứu từ Viện Khoa học Công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST) Hàn Quốc, phát triển một loại pin lithium-lưu huỳnh mang tính đột phá, cải thiện đáng kể tốc độ sạc của pin. Nhóm nghiên cứu giới thiệu một vật liệu carbon được thiết kế đặc biệt, giúp tốc độ sạc nhanh hơn, dung lượng năng lượng cao hơn và độ bền vượt trội.
Pin lithium-ion, mặc dù rất phổ biến trong các thiết bị điện tử và xe điện, nhưng khả năng lưu trữ năng lượng hạn chế và chi phí sản xuất cao. Ngược lại, pin lithium-lưu huỳnh là một giải pháp đầy hứa hẹn, cung cấp mật độ năng lượng cao hơn và có ưu thế từ giá cả phải chăng của lưu huỳnh. Tuy nhiên, khả năng thương mại của pin lithium-lưu huỳnh bị cản trở do lưu huỳnh không hiệu quả trong quá trình sạc nhanh, tuổi thọ chu kỳ hạn chế.
Một vấn đề khác là polysulfide lithium hình thành khi lưu huỳnh phản ứng trong quá trình sạc và xả. Hợp chất này di chuyển bên trong pin, làm giảm hiệu suất của pin. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu thử sử dụng vật liệu carbon xốp để giữ lưu huỳnh tại chỗ. Tuy nhiên, chúng vẫn chưa đạt được mức hiệu suất phù hợp để thương mại hóa.
Để giải quyết các thách thức này, nhóm nghiên cứu tổng hợp một vật liệu carbon nhiều lỗ xốp, liên kết với nhau, giúp tăng cường lưu trữ lưu huỳnh và giảm sự phân hủy. Công nghệ này duy trì thành công dung lượng năng lượng cao ngay cả trong điều kiện sạc nhanh.
Vật liệu carbon mới phát triển được tổng hợp bằng cách sử dụng phương pháp khử nhiệt liên quan đến magie và một hợp chất gọi là ZIF-8, giúp biến đổi cấu trúc cacbon để cải thiện hiệu suất của pin.
ZIF-8 (Zeolitic Imidazolate Framework 8) là một khung kim loại-hữu cơ, được hình thành bằng cách phối hợp các ion kim loại và phối tử hữu cơ. Nó được đặc trưng bởi độ ổn định nhiệt và hóa học cao, cũng như cấu trúc xốp đặc biệt của nó.
Ở nhiệt độ cao, magie phản ứng với nitơ trong ZIF-8, làm cho cấu trúc carbon ổn định và chắc chắn hơn, đồng thời tạo ra cấu trúc lỗ rỗng đa dạng. Cấu trúc này không chỉ cho phép tải lưu huỳnh cao hơn mà còn cải thiện tiếp xúc giữa lưu huỳnh và chất điện phân, tăng cường đáng kể hiệu suất pin.
Kết quả là pin lithium-lưu huỳnh phát triển trong nghiên cứu này, ngay cả khi sạc nhanh với thời gian sạc đầy chỉ 12 phút, pin vẫn đạt dung lượng cao là 705 mAh g⁻¹, cao gấp 1,6 lần so với pin thông thường. Hơn nữa, việc bổ sung nitơ vào vật liệu carbon ngăn chặn hiệu quả sự di chuyển của polysulfide lithium, cho phép pin duy trì 82% dung lượng ngay cả sau 1.000 chu kỳ sạc xả, thể hiện tính ổn định lâu dài của nó.
Với những cải tiến này, pin lithium-lưu huỳnh đang tiến gần hơn đến việc trở thành lựa chọn khả thi cho xe điện, lưu trữ điện quy mô lưới điện, các ứng dụng khác đòi hỏi sạc nhanh và dung lượng năng lượng cao. Nhóm nghiên cứu hy vọng công trình nghiên cứu này sẽ hỗ trợ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin lithium-lưu huỳnh.
