Các nhà nghiên cứu tại Đại học khoa học và công nghệ Hồng Kông phát triển một loại vật liệu mới là khung hữu cơ cộng hóa trị 3D đơn tinh thể, dựa trên liên kết borate, giúp cải thiện cả độ an toàn và tuổi thọ chu kỳ sạc/xả của pin lithium-metal.
Khung hữu cơ cộng hóa trị (COF) là một loại polymer, dạng tinh thể, có cấu trúc hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D), được tạo thành từ sự kết hợp các nguyên tố nhẹ (như C, H, O, N, B) theo liên kết cộng hóa trị, tạo ra vật liệu xốp, độ bền nhiệt cao, lỗ xốp có thể tùy chỉnh.
Pin lithium-metal được xem là bước tiến tiếp theo so với pin lithium-ion hiện tại, đặc biệt là đối với xe điện và lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Nhưng chúng thường gặp phải vấn đề về an toàn, chủ yếu là sự hình thành các nhánh tinh thể (dendrite) lithium, dẫn đến sự xuống cấp và đoản mạch.
COF được nghiên cứu như vật liệu làm chất điện phân tiềm năng vì cấu trúc xốp và ổn định của chúng. Tuy nhiên, hầu hết phiên bản hiện có đều là đa tinh thể, điều này tạo ra điện trở tại ranh giới các hạt và hạn chế sự di chuyển của các ion qua vật liệu.
Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu sử dụng COF-303 làm khuôn mẫu, để xây dựng cấu trúc đơn tinh thể với các kênh ion được sắp xếp rất trật tự. Thiết kế này làm giảm điện trở giữa các hạt, cho phép lắng đọng lithium đồng đều hơn, giúp ngăn chặn sự hình thành dendrite.
Các đường dẫn ion được sắp xếp trật tự của vật liệu cho phép dòng ion di chuyển ổn định hơn trong chất điện phân, giảm các điểm nóng và phản ứng không đồng đều. Điều này giúp cải thiện tuổi thọ pin trong thực tế, nơi các chu kỳ sạc lặp đi, lặp lại, thường dẫn đến giảm hiệu suất và rủi ro về an toàn.
Vật liệu mới này thể hiện hiệu suất điện hóa mạnh mẽ trên nhiều chỉ số quan trọng. Nó đạt độ dẫn ion là 8,1 mS cm−1 ở nhiệt độ phòng, hệ số chuyển dịch Li+ là 0,98, cho phép vận chuyển ion nhanh và có chọn lọc bên trong pin.
Hệ thống này cũng cho thấy độ ổn định được cải thiện. Các thử nghiệm đã chứng minh quá trình lắng đọng và bóc tách lithium ổn định trong hơn 2.000 giờ ở các cell đối xứng, cho thấy độ tin cậy hoạt động lâu dài và giảm thiểu rủi ro về an toàn.
Trong cấu hình pin hoàn chỉnh sử dụng cực âm LiFePO4, pin duy trì được 91,8% dung lượng sau 600 chu kỳ, hiệu suất Coulomb là 99,98%. Các pin cung cấp dung lượng ban đầu là 147 mAh g−1, cho thấy hiệu suất ổn định trong quá trình sử dụng kéo dài.
Nghiên cứu này nhấn mạnh cách kiểm soát cấu trúc ở cấp độ vật liệu có thể tác động trực tiếp đến hiệu suất pin. Bằng cách loại bỏ sự rối loạn thường thấy trong các khung đa tinh thể, các nhà nghiên cứu có thể cải thiện cả hiệu suất và độ an toàn trong hệ thống pin lithium-metal.
Các phát hiện cho thấy COF đơn tinh thể có thể đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa pin lithium-metal thể rắn. Nghiên cứu được thực hiện với sự hợp tác của Đại học Giao thông Thượng Hải, phản ánh các nỗ lực ngày càng tăng nhằm thúc đẩy các công nghệ pin thế hệ mới.
Nếu triển khai thành công trên quy mô lớn, phương pháp này có thể giúp giải quyết hạn chế lâu nay trong thiết kế pin, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi cả mật độ năng lượng cao và độ ổn định lâu dài, chẳng hạn như xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện và các hệ thống tiêu thụ năng lượng cao khác, nơi an toàn là mối quan tâm hàng đầu.
