Sắt, một trong những kim loại phổ biến nhất, vừa khiến các nhà khoa học ngạc nhiên. Một nhóm nghiên cứu do Đại học Stanford dẫn đầu, khám phá ra cách đẩy sắt lên trạng thái năng lượng cao hơn bao giờ hết, kỳ tích có thể định hình lại tương lai của pin lithium-ion và các công nghệ năng lượng khác.

Đột phá này cho thấy sắt có khả năng làm vật liệu để tạo ra loại pin mạnh và rẻ hơn nhiều so với các loại pin làm từ coban hoặc niken hiện nay. Phát hiện này cũng có thể ảnh hưởng đến các công nghệ dựa trên tính chất từ tính, từ máy chụp cộng hưởng từ (MRI) đến tàu đệm từ, thậm chí cả chất siêu dẫn.

Khám phá này được thực hiện bởi ba nghiên cứu sinh tiến sĩ của Đại học Stanford là Hari Ramachandran, Edward Mu và Eder Lomeli, dẫn đầu một nhóm nghiên cứu gồm 23 thành viên đến từ nhiều trường đại học, phòng thí nghiệm quốc gia của Hoa Kỳ và các đối tác quốc tế tại Nhật Bản, Hàn Quốc.

Khi Hari Ramachandran và Edward Mu bắt đầu nghiên cứu từ năm 2021, các mẫu của họ liên tục bị hỏng trong các chu kỳ sạc. Nhóm nghiên cứu nhận ra, giải pháp là làm cho các hạt của vật liệu cực nhỏ, chỉ từ 300 - 400 nanomet, hay một phần tỉ mét, nhỏ hơn khoảng 40 lần so với trước đây.

Đổi mới quan trọng của họ nằm ở việc tinh chỉnh cấu trúc của hợp chất được tạo thành từ lithium, sắt, antimony và oxy. Khi được sắp xếp ở cấp độ nano, vật liệu này cho phép các nguyên tử sắt liên tục giải phóng và hấp thụ lại năm electron, vượt xa mức thông thường là hai hoặc ba electron.

Phân tích của Eder Lomeli sau đó xác nhận, các electron bổ sung không chỉ đến từ các nguyên tử sắt mà còn có sự hỗ trợ quan trọng từ oxy. Nhưng nói sắt hay oxy đóng vai trò then chốt thì quá đơn giản. Các nguyên tử trong vật liệu này được sắp xếp rất khéo léo, hoạt động như một thực thể duy nhất.

Sự trở lại của sắt trong công nghệ chế tạo pin đánh dấu một bước ngoặt. Từng bị coi là điện áp quá thấp đối với việc lưu trữ năng lượng, cathode gốc sắt hiện đang nổi lên như giải pháp thay thế bền vững cho coban, loại vật liệu đắt tiền và thường được khai thác trong điều kiện nguy hại.

Cathode làm từ sắt có điện áp cao có thể tránh được sự đánh đổi giữa điện áp cao hơn và kim loại có chi phí cao hơn, vốn chiếm ưu thế trong vật liệu cathode trước đây. Ý tưởng này có từ năm 2018, khi cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Stanford, William Gent, đưa ra giả thuyết, sắt có thể được đẩy lên trạng thái oxy hóa cao hơn nếu các nguyên tử lân cận được đặt cách nhau một cách cẩn thận. Gent không có cơ hội hoàn thành thí nghiệm, nhưng nhóm nghiên cứu mới đã làm được.

Tại trung tâm pin SLAC-Stanford của Stanford, các thử nghiệm ban đầu cho thấy hợp chất lithium-sắt-antimony-oxy vẫn giữ nguyên cấu trúc, chỉ hơi cong chứ không bị gãy trong các chu kỳ sạc. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Materials.