Thông thường, để sạc đầy pin xe điện phải mất khoảng 10 giờ. Ngay cả khi sử dụng kỹ thuật sạc nhanh vẫn cần tối thiểu 30 phút trong điều kiện có chỗ trống ở trạm sạc. Nếu xe điện có thể sạc nhanh như đổ xăng cho xe động cơ đốt trong, tình trạng thiếu điểm sạc xe điện sẽ giảm bớt đồng thời thúc đẩy mở rộng sử dụng xe điện.

Hiệu suất của pin lithium-ion, được sử dụng trong xe điện hiện nay được xác định trên khả năng lưu trữ ion lithium vật liệu cực dương. Trong một nghiên cứu mới gần đây, GS Won Bae Kim thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Viện Sau đại học Công nghệ Vật liệu Sắt & Năng lượng tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) Hàn Quốc, đã dẫn đầu một nhóm nghiên cứu phát triển vật liệu cực dương mới.

Nghiên cứu mang tính đột phá này đã được xuất bản trên trang bìa của tạp chí Vật liệu chức năng tiên tiến. Ảnh: Tạp chí Vật liệu chức năng tiên tiến

Nhóm nhà khoa học Hàn Quốc của GS Won Bae Kim, với sự tham gia của nghiên cứu sinh TS Song Kyu Kang và Minho Kim từ Khoa Kỹ thuật Hóa học đã tổng hợp thành công các tấm nano mangan ferrite (Mn_3-x Fe_x O₄) bằng phương pháp tự lai ghép mới trên cơ sở quy trình thay thế điện hóa đơn giản.

Kỹ thuật đột phá này đã tạo ra vật liệu mới cho cực dương của pin lithium-ion, cho phép tăng dung lượng lưu trữ ion lên khoảng 1,5 lần so với giới hạn lý thuyết và giúp xe điện sạc chỉ trong 6 phút. Nghiên cứu này được giới khoa học vật liệu thừa nhận đạt kết quả xuất sắc, báo cáo khoa học được xuất bản với tiêu đề in nổi bật trên trang bìa trên tạp chí Vật liệu chức năng tiên tiến.

Trong nghiên cứu mang tính đột phá này, nhóm nhà khoa học đã phát minh phương pháp mới để tổng hợp ferrite mangan làm vật liệu chế tạo cực dương. Đây là loại vật liệu có khả năng lưu trữ lithium-ion vượt trội và đặc tính sắt từ.

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã tiến hành phản ứng thay thế điện hóa, được thực hiện trong dung dịch oxit mangan trộn với sắt, thu được hợp chất có cấu trúc dị thể với oxit mangan bên trong và oxit sắt ở bên ngoài.

Nhóm nghiên cứu tiếp tục sử dụng phương pháp thủy nhiệt (sử dụng dung môi nước ở trạng thái siêu tới hạn) tạo ra các tấm ferrite mangan với độ dày nanomet và diện tích bề mặt của tấm vật liệu mở rộng. Phương pháp này khai thác các electron có độ phân cực từ tính (spin) cao, tăng cường khả năng lưu trữ số lượng lớn vượt trội các ion lithium. Sự đổi mới này cho phép nhóm nghiên cứu vượt quá 50% công suất lý thuyết của vật liệu cực dương ferrite mangan.

Khả năng mở rộng diện tích bề mặt của vật liệu làm cực dương tạo điều kiện cho một lượng lớn ion lithium chuyển động đồng thời, giúp tăng cường tốc độ sạc của pin điện. Kết quả thử nghiệm cho thấy, chỉ cần 6 phút để sạc đầy và xả một bộ pin có dung lượng tương đương với dung lượng sử dụng trên xe điện hiện có trên thị trường.

Nghiên cứu này cũng cải tiến quy trình tổng hợp vật liệu ferrite mangan bằng phương pháp thiêu kết đầy thách thức với chi phí cao, tạo ra bước đột phá về công suất lý thuyết của vật liệu cực dương và cho phép áp dụng quy trình sạc nhanh pin xe điện mà không làm suy giảm vòng đời sử dụng của pin xe điện.

GS Won Bae Kim, chủ nhiệm công trình nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp mới, khắc phục những hạn chế điện hóa của vật liệu cực dương thông thường và tăng dung lượng pin bằng giải pháp áp dụng thiết kế vật liệu hợp lý với sự thay đổi bề mặt, sử dụng phân cực từ tính của điện tử (spin electron)”. GS Kim lạc quan tin tưởng rằng, kết quả nghiên cứu sẽ giúp tăng độ bền của pin xe điện, giảm thời gian sạc cho xe điện ở các trạm sạc nhanh.