Các nhà nghiên cứu từ POSTECH và Đại học Sogang đã phát triển một chất kết dính polyme chức năng cho vật liệu cực dương ổn định, dung lượng cao, mang lại công suất gấp 10 lần so với cực dương than chì thông thường. Nghiên cứu đột phá này sẽ làm tăng đáng kể mật độ năng lượng của pin lithium-ion, mở rộng phạm vi lái xe điện (EV) lên gấp 10 lần.

Thị trường xe điện đang có sự tăng trưởng bùng nổ, với doanh số toàn cầu vượt 1 nghìn tỷ USD (tương đương 1.283 nghìn tỷ won Hàn Quốc/KRW) năm 2022 và doanh số bán hàng ở Hàn Quốc vượt quá 108.000 chiếc. Chắc chắn sự phát triển pin dung lượng cao sẽ khiến phạm vi lái xe EV tăng lên.

Gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu chung từ POSTECH và Đại học Sogang đã phát triển một chất kết dính polymer chức năng cho vật liệu cực dương công suất cao, ổn định, có thể tăng phạm vi hoạt động của EV hiện nay lên gấp 10 lần.

Một nhóm nghiên cứu do các GS Soojin Park thuộc Khoa Hóa học, GS Youn Soo Kim thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, GS Jaegeon Ryu thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Phân tử sinh học Đại học Sogang dẫn đầu nhóm nghiên cứu phát triển một chất kết dính polymer tích điện cho vật liệu cực dương dung lượng cao, ổn định và đáng tin cậy, cung cấp công suất gấp 10 lần hoặc cao hơn so với cực dương than chì thông thường.

Kết quả đột phá này đạt được bằng phương pháp thay thế than chì bằng cực dương silic Si kết hợp với polymer tích điện phân lớp, vẫn duy trì được độ ổn định và độ tin cậy. Kết quả công trình nghiên cứu được công bố trong 1 bài báo, được nêu trên trang bìa của Tạp chí Tài liệu chức năng nâng cao.

Nhưng vật liệu cực dương dung lượng cao như silic cần thiết để chế tạo pin lithium-ion mật độ năng lượng cao; cho phép pin cung cấp ít nhất gấp 10 lần công suất của cực dương than chì hoặc những vật liệu cực dương khác hiện nay.

Thách thức chính trong việc sử dụng cực dương trên cơ sở vật liệu silic (Si) là sự gia tăng thể tích của vật liệu cực dương dung lượng cao trong quá trình phản ứng với lithium, gây ra mối đe dọa đối với hiệu suất và độ ổn định của pin. Để giảm thiểu vấn đề này, các nhà khoa học Hàn Quốc đã nghiên cứu phát triển các chất kết dính polymer, có thể kiểm soát hiệu quả sự giãn nở thể tích.

Những nghiên cứu cho đến nay chỉ tập trung vào liên kết ngang hóa học và liên kết hydro. Liên kết chéo hóa học liên quan đến liên kết cộng hóa trị giữa các phân tử chất kết dính, làm cho vật liệu rắn chắc nhưng có một nhược điểm nguy hiểm, khi bị phá vỡ, những liên kết không thể phục hồi.

Ngoài ra, liên kết hydro là liên kết thứ cấp thuận nghịch giữa các phân tử trên cơ sở sự khác biệt về độ âm điện, nhưng độ bền của liên kết (10-65 kJ/mol) tương đối yếu.

Vật liệu Polymer mới do nhóm nghiên cứu Hàn Quốc phát triển không chỉ tận dụng liên kết hydro mà còn tận dụng lực Coulombic (lực hút giữa điện tích dương và điện tích âm). Những lực này có cường độ 250 kJ/mol, cao hơn nhiều so với cường độ liên kết hydro, nhưng có thể đảo ngược, dễ dàng kiểm soát sự giãn nở thể tích.

Bề mặt của vật liệu cực dương công suất cao hầu hết được tích điện âm và các polymer tích điện phân lớp được sắp xếp xen kẽ với điện tích dương và âm để liên kết hiệu quả với cực dương.

Chất kết dính polymer tích điện xây dựng một mạng lưới định hướng điện tích động trên các vật liệu cực dương, có tính linh hoạt cao và làm giảm ứng suất điện cực hiệu quả nhờ những đặc tính cơ học tuyệt vời của vật liệu.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu sử dụng polyetylen glycol trong chất kết dính tích điện cung cấp đường dẫn Li-ion nhanh có thể tạo thành oxit silic siêu dày nhưng không ảnh hưởng đến dung lượng riêng có thể đảo ngược và thúc đẩy tương tác điện tích hiệu quả như một bộ biến điệu cơ học, điều chỉnh những tính chất vật lý và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán Li-ion, dẫn đến điện cực dày, dung lượng cao và mật độ năng lượng tối đa được tạo ra trong pin Li-ion.

GS Soojin Park giải thích: “Nghiên cứu có khả năng tăng đáng kể mật độ năng lượng của pin lithium-ion trên cơ sở sử dụng kết hợp các vật liệu cực dương công suất cao, từ đó tăng cường công suất và mở rộng phạm vi hoạt động của EV. Vật liệu cực dương trên cơ sở  silic có khả năng tăng phạm vi lái xe ít nhất gấp 10 lần.”

Nghiên cứu này được thực hiện với sự hỗ trợ từ Bộ Khoa học và CNTT, Chương trình Phát triển Công nghệ Vật liệu Nano và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quốc gia về Công nghệ Tương lai của Hàn Quốc.