Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) vừa công bố một loại vật liệu mới có khả năng giải quyết một trong những thách thức lớn nhất trong công nghệ pin lithium kim loại. Theo đó, nhóm đã phát triển một khung hữu cơ cộng hóa trị borat 3D đơn tinh thể, hoạt động như một chất điện phân rắn giúp nâng cao độ an toàn và hiệu suất của pin.
Pin lithium kim loại được coi là bước tiến quan trọng so với các hệ thống lithium-ion hiện tại, đặc biệt trong lĩnh vực xe điện và lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Tuy nhiên, chúng thường gặp phải vấn đề an toàn do sự hình thành các nhánh tinh thể (dendrite) lithium và các tiếp xúc không ổn định, dẫn đến hiện tượng xuống cấp và đoản mạch.
Khung hữu cơ cộng hóa trị đã được nghiên cứu như một vật liệu điện phân tiềm năng nhờ vào cấu trúc xốp và ổn định của chúng. Tuy nhiên, hầu hết các phiên bản hiện tại đều là đa tinh thể, dẫn đến điện trở tại các ranh giới hạt và hạn chế khả năng di chuyển của các ion. Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng COF-303 làm khuôn mẫu nhằm xây dựng cấu trúc đơn tinh thể với các kênh ion được sắp xếp trật tự. Thiết kế này giúp giảm điện trở giữa các hạt và cho phép lắng đọng lithium đồng đều hơn, từ đó ngăn chặn sự hình thành các nhánh tinh thể.
Vật liệu mới đã thể hiện hiệu suất điện hóa ấn tượng, đạt độ dẫn ion 8,1 mS cm−1 ở nhiệt độ phòng và hệ số chuyển dịch Li+ là 0,98, cho phép vận chuyển ion nhanh chóng và có chọn lọc. Các thử nghiệm cho thấy quá trình lắng đọng và bóc tách lithium ổn định trong hơn 2.000 giờ, chứng minh độ tin cậy và giảm thiểu rủi ro an toàn. Trong cấu hình pin hoàn chỉnh sử dụng cực âm LiFePO4, pin duy trì được 91,8% dung lượng sau 600 chu kỳ, với hiệu suất Coulomb đạt 99,98%.
Giáo sư Yoonseob Kim, một trong những tác giả nghiên cứu, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi nhấn mạnh tính khả thi của các vật liệu B-COF 3D đơn tinh thể như chất điện phân bán rắn. Bằng cách loại bỏ các rối loạn cấu trúc trong vật liệu đa tinh thể, chúng tôi đã tiến một bước quan trọng hướng tới việc hiện thực hóa các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu suất cao và an toàn, rất cần thiết cho một tương lai xanh hơn”.
Nghiên cứu trên được thực hiện với sự hợp tác của Đại học Giao thông Thượng Hải (Trung Quốc), phản ánh nỗ lực quốc tế trong việc phát triển công nghệ pin thế hệ mới. Nếu được triển khai thành công trên quy mô lớn, phương pháp này có thể giải quyết những hạn chế trong thiết kế pin, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu mật độ năng lượng cao và độ ổn định lâu dài, như xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng lưới điện.
