Các nhà khoa học đã xác định được một loại vật liệu mới có thể được sử dụng để chế tạo pin điện thoại thông minh sạc nhanh hơn. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge ở Anh đã sử dụng các vật liệu có cấu trúc tinh thể phức tạp và nhận thấy rằng các ion lithium di chuyển qua chúng với tốc độ vượt xa tốc độ của các vật liệu điện cực điển hình, tương đương với pin sạc nhanh hơn nhiều.
Mặc dù những vật liệu này, được gọi là oxit vonfram niobi, không dẫn đến mật độ năng lượng cao hơn khi được sử dụng ở tốc độ chu kỳ điển hình, nhưng chúng được sử dụng cho các ứng dụng sạc nhanh, theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature. Ngoài ra, cấu trúc vật lý và hành vi hóa học của chúng cung cấp cho các nhà nghiên cứu một cái nhìn sâu sắc có giá trị về cách thức chế tạo một loại pin sạc siêu nhanh, an toàn và gợi ý rằng giải pháp cho pin thế hệ tiếp theo có thể đến từ những vật liệu độc đáo.
Kent Griffith, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Khoa Hóa học của Cambridge, cho biết: “Chúng tôi luôn tìm kiếm các vật liệu có hiệu suất pin tốc độ cao, giúp sạc nhanh hơn nhiều và cũng có thể mang lại sản lượng điện cao. Ở dạng đơn giản nhất, pin được cấu tạo từ ba thành phần: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân. Khi pin đang sạc, các ion lithium được chiết xuất từ điện cực dương và di chuyển qua cấu trúc tinh thể và chất điện phân đến điện cực âm, nơi chúng được lưu trữ. Các nhà nghiên cứu cho biết quá trình này diễn ra càng nhanh thì pin càng được sạc nhanh.
Các oxit vonfram niobi được sử dụng trong công việc hiện tại có cấu trúc mở, cứng, không làm kẹt liti được đưa vào và có kích thước hạt lớn hơn nhiều vật liệu điện cực khác. Griffith cho rằng sự phức tạp về cấu trúc và thành phần kim loại hỗn hợp là những lý do chính khiến vật liệu thể hiện các đặc tính vận chuyển độc đáo. Griffith nói: “Nhiều vật liệu làm pin dựa trên hai hoặc ba cấu trúc tinh thể giống nhau, nhưng các oxit vonfram niobi này về cơ bản là khác nhau. Các ôxít được giữ mở bởi các ‘cột’ ôxy, cho phép các ion liti di chuyển qua chúng theo không gian ba chiều.
Griffith cho biết: “Các trụ oxy, hay mặt phẳng cắt, làm cho những vật liệu này cứng hơn so với các hợp chất pin khác, do đó, cộng với cấu trúc mở của chúng có nghĩa là nhiều ion lithium có thể di chuyển qua chúng và nhanh hơn rất nhiều,” Griffith nói. Sử dụng một kỹ thuật được gọi là quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) gradient trường xung (PFG), không dễ áp dụng cho các vật liệu điện cực của pin, các nhà nghiên cứu đã đo chuyển động của các ion lithium qua các oxit và nhận thấy rằng chúng di chuyển với tốc độ vài bậc độ lớn cao hơn các vật liệu điện cực điển hình. Hầu hết các điện cực âm trong pin lithium-ion hiện nay được làm bằng than chì, có mật độ năng lượng cao.
Tuy nhiên, khi được sạc ở tốc độ cao, nó có xu hướng hình thành các sợi kim loại liti mỏng được gọi là đuôi gai, có thể tạo ra hiện tượng đoản mạch và khiến pin bắt lửa và có thể phát nổ. “Trong các ứng dụng tỷ lệ cao, an toàn là mối quan tâm lớn hơn bất kỳ trường hợp vận hành nào khác,” Giáo sư Clare Gray, cũng từ Khoa Hóa học tại Cambridge, cho biết. Gray nói: “Những vật liệu này và những vật liệu có khả năng tương tự khác chắc chắn sẽ đáng xem xét cho các ứng dụng sạc nhanh, nơi bạn cần một giải pháp thay thế an toàn hơn cho than chì.
. .
. .
…
