Pin lithium-ion (Li-ion), thiết bị lưu trữ năng lượng sạc lại trên cơ sở quá trình khử ion lithium có thể đảo ngược là một trong những công nghệ pin phổ biến nhất hiện nay nhờ hiệu suất hoạt động cao và vòng đời kéo dài.

Hầu như tất cả các công nghệ hiện có và mới xuất hiện đang được cung cấp từ loại pin này, đặc biệt quan trọng là điện thoại thông minh, máy tính xách tay và xe điện.

Mặc dù pin Li-ion có nhiều ưu điểm trong khai thác sử dụng, nhưng giá thành của loại pin này ngày càng cao. Nguyên nhân chính là pin đòi hỏi các loại vật liệu quý hiếm, khó khai thác và sản xuất số lượng lớn như coban (Co) và niken (Ni). Trong sự bùng nổ của xe điện, các nhà sản xuất pin và chuyên gia năng lượng cố gắng phát triển những thiết kế thay thế cần ít hơn hoặc không cần coban và niken nhằm giảm chi phí của pin Li-ion, tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng sản xuất quy mô lớn với giá thành hạ.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học California Irvine và những viện nghiên cứu khác trên khắp nước Mỹ gần đây giới thiệu một chiến lược mới, có thẻ chế tạo ra ca-tốt không chứa coban cho pin Li-ion, nhưng không ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ, được tài trợ bởi Văn phòng Công nghệ Phương tiện của Bộ Năng lượng Mỹ đã được đăng trên tạp chí Nature Energy

Trong cuộc phỏng vấn với Tech Xplore, GS Huolin Xin, một trong những nhà khoa học thực hiện nghiên cứu cho biết: “Dự án của chúng tôi bắt đầu vào năm 2018 và kết thúc vào tháng 3 năm 2023. Khi chúng tôi bắt đầu nghiên cứu, toàn bộ ngành công nghiệp đang nghiên cứu ca-tốt Ni siêu cao để thay thế hoặc giảm mức sử dụng Co. Đến năm 2019, vấn đề Ni trở thành điểm nhức nhối tiếp theo của ngành xe điện đã hình thành trong tâm trí tôi, bởi vì chúng tôi nhận thấy, giá của Niken đã tăng lên bằng một phần ba giá của Co. Trong cuộc họp đánh giá dự án vào cuối năm 2019, thay mặt nhóm nghiên cứu, tôi đã đưa ra một số mục tiêu cho năm 2020, một trong số những mục tiêu là tạo ra ca-tốt với lượng Ni thấp , Mn cao, cực âm đồng tự do để vượt qua điểm nghẽn Ni."

Năm 2020, GS Xin và các đồng nghiệp đã sáng tạo một chiến lược mới, đạt được độ biến dạng bằng 0 trong vật liệu hoạt tính ca-tốt (CAM) có hàm lượng Ni cao (Ni-80%). Phương pháp này sử dụng khái niệm pha tạp phức hợp nồng độ, một kỹ thuật làm thay đổi tính chất của vật liệu bằng giải pháp bổ sung thêm các chất hóa học cụ thể (chất pha tạp).

GS Xin giải thích: “Sau khi nghiên cứu trước đây được công bố trên tạp chí Nature, tôi đã cùng nhóm nghiên cứu áp dụng thử chiến lược này để tạo ra một CAM có hàm lượng Ni thấp. Rất thành công, chúng tôi đã chứng minh được, chiến lược pha tạp phức hợp nồng độ vật chất trong vật liệu ca-tốt có thể cho phép CAM có hàm lượng Ni thấp, Mn cao, không thay đổi hiệu suất của pin và hoàn toàn khả thi về mặt thương mại.

Chiến lược pha tạp phức hợp nồng độ do nhóm nghiên cứu của GS Xin đề xuất có một số ưu điểm đáng chú ý. Thông qua việc trộn các ion điện tích dương (cation) thấp, có thể tạo ra dung lượng cao đến 190 mAh/g ở tốc độ xả C/10 và năng lượng riêng cao 700 wh/kg ở tốc độ xả C/3 trong vật liệu catốt, độ ổn định nhiệt cao và kéo dài vòng đời của pin.

 GS Xin nói: “Chiến lược mà chúng tôi đề xuất có chi phí thấp do không chứa coban, hàm lượng Ni giảm 50% và Mn, nguyên liệu chính được sử dụng có giá rẻ. Chúng tôi đã chứng minh khả năng trộn các ion điện tích dương cation thấp giúp giải phóng dung lượng cao (190 mAh/g ở tốc độ xả C/10) và năng lượng riêng cao (700 wh/kg ở tốc độ xả C/3), độ ổn định nhiệt cao vượt trội so với thành phần ca-tốt tiêu chuẩn NMC-532 (thành phần gồm 50% niken, 30% mangan và 20% coban) tuổi thọ đạt tới 4000 chu kỳ sạc-xả, khiến vật liệu ca-tôt cạnh tranh được với các tế bào pin Lithium iron phosphate (LFP), loại pin này nổi tiếng về độ an toàn, tuổi thọ cao và mật độ năng lượng cao."

Chiến lược của nhóm nghiên cứu GS Xin có ưu thế hơn các chiến lược khác được đề xuất nhằm giảm sự phụ thuộc của pin Li-ion vào Co và Ni là không yêu cầu lớp phủ trên bề mặt vật liệu để chống ăn mòn.  Ưu điểm này khiến vật liệu ca-tốt dễ dàng được thực hiện trên quy mô lớn.

Trong các thử nghiệm ban đầu, ca-tốt không chứa đồng, sử dụng chiến lược của nhóm hoạt động rất tốt, cho phép chế tạo pin Li-ion ổn định và hiệu quả cao với vòng đời dài. Chiến lược này có thể được sử dụng để sản xuất các loại pin Li-ion không sử dụng Coban, cho xe điện có mật độ năng lượng cao, gọn nhẹ và giá cả phù hợp. GS Xin nói thêm:

“Chúng tôi hiện đang nghiên cứu các CAM thế hệ tiếp theo thậm chí còn có hàm lượng Ni/Co thấp hơn, điều này sẽ giúp giảm chi phí vật liệu CAM hơn nữa.”