Một nhóm nghiên cứu do GS Dennis YC Leung thuộc Khoa Cơ khí Đại học Hồng Kông (HKU) dẫn đầu đạt được bước đột phá lớn trong công nghệ pin, phát triển thiết kế pin magie-ion bán rắn (Mg-ion) hiệu suất cao.
Cấu trúc tổ hợp pin xe điện. Ảnh minh họa Tech Xplore
Thiết kế sáng tạo này cung cấp một giải pháp thay thế bền vững, an toàn và mật độ năng lượng cao, có tiềm năng thay thế pin lithium-ion thông thường, giải quyết những hạn chế về khan hiếm vật liệu, tác động môi trường và an toàn của pin.
Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances với tựa đề "Pin magie-ion thế hệ tiếp theo: Phương pháp tiếp cận bán rắn để lưu trữ ion kim loại đa hóa trị", pin magie-ion bán rắn (Mg-ion) mới có tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp lưu trữ điện năng. GS Leung tuyên bố: “Nghiên cứu là một sự phát triển mang tính thay đổi ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng.”
Sơ đồ cơ chế của pin: chất điện phân bán rắn tăng cường hiệu suất của pin bằng cách điều chỉnh lưu trữ ion. Ảnh Science Advances.
Trong những năm gần đây, pin magie-ion (Mg-ion) được đánh gia như một giải pháp thay thế tiềm năng trước những hạn chế của pin lithium-ion. Nhưng quá trình phát triển pin Mg-ion hiệu quả có rất nhiều thách thức, trong đó có yêu cầu vượt qua cửa sổ điện hóa hẹp (EW) trong các hệ thống chứa nước hoặc phát triển trên cơ sở nước hoặc độ dẫn ion kém trong các hệ thống điện hóa không chứa nước.
Nhằm giải quyết những trở ngại trong phát triển pin magie - ion, nhóm nghiên cứu của GS Leung đã phát triển pin Mg-ion nước muối có điện áp hoạt động trên 2V. Nhưng những tính chất của pin vẫn tụt hậu so với pin không chứa nước do proton chiếm ưu thế so với khả năng giữ các ion magia ở cực âm.
Sarah Leong, nghiên cứu sinh trong nhóm của GS Leung, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết."Các ion hydro hay proton nhỏ hơn và nhẹ hơn so với các ion kim loại. Do kích thước nhỏ, những proton dễ dàng xâm nhập vào cấu trúc cực âm của pin. Tình huống này tạo ra trở ngại hoạt động của pin vì các proton và ion magie cạnh tranh về không gian, hạn chế nghiêm trọng mật độ lưu trữ năng lượng của pin và thời gian xả"
Thí nghiệm cho thấy hiệu suất sạc xả ấn tượng của pin Magie-ion bán rắn ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ dưới 0. Ảnh Science Advances.
Những nghiên cứu và thí nghiệm không mệt mỏi của nhóm nhà khoa học cuối cùng đã có được thành tựu với sự ra đời của pin magie-ion bán rắn (QSMB), một thiết kế pin sử dụng chất điện phân polymer tăng cường nước muối với cửa số điện hóa lớn, kiểm soát sự cạnh tranh giữa proton và ion kim loại.
Pin thử nghiệm QSMB đạt mức điện áp ấn tượng 2,4 V với mật độ năng lượng 264 Wh /kg, vượt trội hơn hiệu suất của pin Mg-ion được chế tạo hiện nay và gần như tương đương với hiệu suất của pin Li-ion.
GS Leung cho biết: "Pin magie-ion bán rắn của chúng tôi kết hợp những ưu điểm tốt nhất của cả hai thiết kế, có điện áp cao của hệ thống pin Magie không chứa nước nhưng lại có được sự an toàn và hiệu quả kinh tế của hệ thống pin Magie chứa nước. Kết quả nghiên cứu là một bước tiến lớn trong lĩnh vực phát triển pin magie-ion hiệu suất cao."
Để xác định những tính năng kỹ thuật của QSMB, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thử nghiệm sạc xả trong mọi điều kiện sử dụng và thu được kết quả đáng kinh ngạc. Ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ dưới 0 (–22°C), QSMB vẫn giữ được 90% công suất ấn tượng sau 900 chu kỳ sạc xả. Pin cũng không bắt lửa và chịu được áp suất trên 40 atm. Độ bền và hiệu suất cao khiến QSMB trở thành ứng viên đầy triển vọng thay thế cho pin lithium-ion thông thường dành cho các thiết bị điện tử tiêu dùng và xe điện ngay cả ở vùng khí hậu giá lạnh.
TS Wending Pan, PGS trong nhóm nghiên cứu của GS Leung khẳng định rằng, công nghệ QSMB có tiềm năng định hình lại ngành lưu trữ và cung cấp năng lượng cho thế giới bền vững.
Ông nói: "Chiến lược phát triển chất điện phân tiên tiến được giới thiệu trong nghiên cứu của chúng tôi có tiềm năng vượt ra ngoài công nghệ pin magie-ion, mở rộng sang các loại pin ion kim loại đa hóa trị khác như pin kẽm-ion và nhôm-ion. Chúng tôi tin rằng nghiên cứu này sẽ mở đường cho những giải pháp lưu trữ năng lượng thế hệ mới, hiệu quả về kinh tế và thân thiện môi trường."