Các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra vật liệu cực âm hiệu suất cao cho pin ion kẽm, bằng cách chuyển đổi tỉ mỉ vật liệu MXene dạng lớp thành dạng vô định hình. Vật liệu mới này, được gọi là V₂CTx vô định hình (a-V₂CTx), cho thấy cải tiến đáng kể về dung lượng pin, tốc độ sạc và độ bền.
Cực âm V₂CTx vô định hình này mang lại dung lượng cao, khả năng sạc nhanh, tuổi thọ chu kỳ dài, vượt trội so với hầu hết cực âm gốc vanadium hiện có. Nghiên cứu này cung cấp chiến lược thiết kế đầy hứa hẹn cho các hệ thống lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo.
Pin ion kẽm được xem là giải pháp thay thế an toàn và chi phí thấp cho pin ion lithium, nhưng hiệu suất của chúng bị hạn chế bởi sự di chuyển chậm của ion và độ ổn định kém của các vật liệu cực âm truyền thống, tác giả chính Guangcai Zhao giải thích.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy, bằng cách nung nóng vật liệu MXene trong điều kiện có kiểm soát, họ có thể chuyển đổi cấu trúc tinh thể có trật tự của vật liệu này thành cấu trúc vô định hình không có trật tự, trong khi vẫn giữ nguyên khả năng dẫn điện.
Sự thay đổi cấu trúc này tạo ra nhiều vị trí hoạt động hơn cho các ion kẽm liên kết vào, tăng tốc độ di chuyển của ion và nâng cao trạng thái oxy hóa của vanadium, cho phép lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn.
Kết quả là, cực âm a-V2CTx đạt được dung lượng thuận nghịch cao 543 mAh g⁻¹ ở dòng điện 1 A g⁻¹ và duy trì 494 mAh g⁻¹ ngay cả ở dòng điện rất cao 30 A g⁻¹. Nó cũng thể hiện độ ổn định ấn tượng, giữ lại 286 mAh g⁻¹ sau 3.000 chu kỳ, tác giả Zhao cho biết thêm.
Chiến lược tạo cấu trúc vô định hình của nhóm nghiên cứu giải quyết hiệu quả hạn chế chính của cực âm gốc vanadium - khuếch tán ion chậm và độ dẫn điện thấp - mà không làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc. Cách tiếp cận này có thể mở ra hướng đi mới để thiết kế vật liệu pin tốc độ cao, tuổi thọ dài.
Nhóm nghiên cứu cũng đã chứng minh tiềm năng thực tiễn của vật liệu này, bằng cách lắp ráp một pin dạng túi, có thể cung cấp năng lượng cho một chiếc quạt nhỏ. Điều này cho thấy tính khả thi của nó với các ứng dụng thực tế.
