Một loại polymer siêu ion, được phát triển bởi các nhà khoa học Hoa Kỳ, có khả năng giúp khắc phục một trong những trở ngại lớn nhất trong pin thể rắn, làm cho pin này an toàn hơn, hiệu quả hơn và thiết thực hơn. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Materials Today.
Giải pháp đột phá này được các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thiết kế, giải quyết vấn đề di chuyển chậm của ion, tức là sự vận chuyển hạn chế và chậm chạp các ion trong chất điện phân.
Đối với dự án này, các nhà khoa học đã kiểm soát cẩn thận thành phần hóa học của một loại polymer gốc muối lithium và thiết kế loại vật liệu mới, cho phép vận chuyển ion siêu nhanh trong pin và các công nghệ lưu trữ năng lượng khác.
Pin gồm hai điện cực, cực âm và cực dương, được ngăn cách bởi chất điện phân, nơi các ion di chuyển qua lại khi pin sạc. Tuy nhiên, trong khi pin truyền thống sử dụng chất điện phân dạng lỏng hay dạng gel thì yêu cầu an toàn đang thúc đẩy sự phát triển pin thể rắn với chất điện phân rắn.
Một số loại pin thể rắn sử dụng chất điện phân ceramic (gốm), được gọi là ceramic siêu ion, vì chúng vận chuyển ion rất hiệu quả. Tuy nhiên, chúng giòn, khó sản xuất và thường khó duy trì tiếp xúc tốt với các điện cực của pin.
Trong khi đó, polymer có tính linh hoạt và dễ gia công hơn nhưng lại gặp khó khăn trong việc vận chuyển ion. Giờ đây, nhóm nghiên cứu chứng minh loại vật liệu polymer mới có thể đạt đến trạng thái siêu ion, trong đó các ion có thể di chuyển nhanh hơn môi trường xung quanh tới 10 tỉ lần.
Chất điện phân từ polymer của nhóm nghiên cứu, chứa các đoạn phân cực, giúp thúc đẩy sự kết hợp của muối lithium và tăng cường mạnh mẽ khả năng di chuyển của ion, Tiến sĩ Tomonori Saito, nhà nghiên cứu tại ORNL cho biết.
Các nhà nghiên cứu điều chỉnh cấu trúc của polymer, bằng cách thêm một lượng chính xác các nhóm phân tử, gọi là zwitterion. Điều này cho phép các ion tạo thành các túi. Zwitterion mang cả điện tích dương và âm, giúp tăng độ phân cực cục bộ nhưng vẫn giữ cho phân tử trung tính.
Khi kết hợp vào khung polymer với tỉ lệ thích hợp, các zwitterion khuyến khích các ion tập hợp thành các túi nhỏ. Khi càng nhiều túi này hình thành, chúng bắt đầu kết nối thành các đường dẫn liên tục, giống như kênh dẫn. Kết quả là một mạng lưới cho phép các ion di chuyển hiệu quả qua vật liệu với lực cản tối thiểu.
Nhóm nghiên cứu xác định được cấu hình tối ưu khi khoảng 80% đơn vị polymer được chức năng hóa, từ đó cho phép hình thành các kênh dẫn ion ổn định. Ở trạng thái tối ưu này, các ion có thể di chuyển nhanh hơn nhiều lần so với môi trường xung quanh. Điều này cải thiện đáng kể độ dẫn điện của vật liệu.
Nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch mở rộng nghiên cứu bằng cách tìm hiểu cơ chế đằng sau hành vi siêu ion của polymer. Các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu quan sát và hiểu các tương tác ion ở cấp độ phân tử bằng siêu máy tính, hóa học tự động điều khiển bằng AI và tán xạ neutron tại Spallation Neutron Source.
