Trong cuộc đua năng lượng xanh, các nhà sản xuất pin hiện đại đang chuyển sang sử dụng cực dương (cathode) dạng lớp giàu Niken. Hàm lượng Niken càng cao, pin càng lưu trữ được nhiều năng lượng, giúp xe điện đi được quãng đường xa hơn sau mỗi lần sạc. Tuy nhiên, loại pin này mắc phải một "lời nguyền" là năng lượng càng cao, pin càng nhanh xuống cấp do các vết nứt vi mô hình thành trong quá trình sạc/xả liên tục.
Mới đây, đội ngũ nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo (Skoltech - Nga) đã tìm ra chìa khóa để giải quyết bài toán hóc búa này.
Tìm ra lời giải giúp pin xe điện bền hơn gấp đôi.
Bí mật nằm ở nguyên tố Tantali (Tantalum)
Giải pháp của nhóm nghiên cứu là "pha tạp" vật liệu cực dương bằng oxit Tantali hóa trị cao (Ta₂O₅). Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy, chỉ cần thêm một lượng rất nhỏ (0.5% mole) oxit Tantali, tốc độ suy giảm dung lượng của pin qua mỗi chu kỳ sạc đã giảm đi gần một nửa.
Nghiên cứu này, vừa được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Advanced Functional Materials, mở ra kỷ nguyên mới cho các loại pin bền bỉ hơn, an toàn hơn dành cho xe điện và các thiết bị điện tử.
Để khắc phục nhược điểm của Niken, các nhà khoa học đã xây dựng một mô hình toán học để tạo ra cấu trúc nồng độ biến thiên (Gradient): Niken tập trung cao nhất ở lõi hạt để giữ năng lượng, sau đó giảm dần ra ngoài bề mặt, nhường chỗ cho Mangan và Coban để tăng độ ổn định.
Tuy nhiên, thách thức lớn nhất là duy trì cấu trúc này trong quá trình sản xuất ở nhiệt độ cao. Đây là lúc Tantali phát huy tác dụng.
Ảnh minh họa.
Tiến sĩ Lyutsia Sitnikova và nhà nghiên cứu cấp cao Alexandra Savina tại Skoltech giải thích cơ chế đặc biệt này: "Tantali không chỉ đơn thuần nằm trong cấu trúc tinh thể. Nó di chuyển ra bề mặt các hạt tinh thể sơ cấp và tạo thành một lớp vỏ bảo vệ giàu Tantali dày khoảng 5 nanomet".
Lớp vỏ nano này hoạt động như một tấm khiên vững chắc, ngăn chặn sự khuếch tán không mong muốn của các kim loại chuyển tiếp và giữ cho cấu trúc Gradient bền vững ngay cả dưới tác động của nhiệt độ và chu kỳ sạc xả khắc nghiệt. Nhờ đó, pin giữ được công suất lớn của Niken mà vẫn đảm bảo tuổi thọ dài lâu.
Với phát hiện này, nỗi lo về việc pin xe điện bị "chai" nhanh chóng hay phải tốn kém chi phí thay thế pin sau vài năm sử dụng có thể sớm trở thành dĩ vãng.
