Đột phá pin ion canxi có thể thay thế lithium trong lưu trữ năng lượng sạch

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã công bố bước tiến quan trọng trong lĩnh vực pin ion canxi (Calcium-ion Battery – CIB), mở ra khả năng thay đổi cách chúng ta lưu trữ năng lượng cho các thiết bị và hệ thống công nghệ.

Bằng cách tích hợp chất điện phân bán rắn (quasi-solid-state electrolytes – QSSE), nhóm nghiên cứu đã tạo ra một thế hệ pin ion canxi mới với hiệu suất cao hơn và thân thiện với môi trường hơn. Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Advanced Science với tiêu đề: “High-Performance Quasi-Solid-State Calcium-Ion Batteries from Redox-Active Covalent Organic Framework Electrolytes”.

Công nghệ này có thể hỗ trợ lưu trữ năng lượng tái tạo, xe điện và nhiều ứng dụng tiêu thụ điện năng lớn khác.

Nhu cầu cấp thiết về giải pháp thay thế lithium

Khi đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo tăng tốc, nhu cầu về các loại pin dung lượng cao và ổn định cũng ngày càng lớn. Hiện tại, pin lithium-ion (LIB) vẫn thống trị thị trường, nhưng nguồn cung lithium có giới hạn và mật độ năng lượng đang tiệm cận ngưỡng tối ưu khiến giới khoa học buộc phải tìm hướng đi mới.

Trong bối cảnh đó, pin ion canxi nổi lên như một lựa chọn đầy tiềm năng. Canxi là nguyên tố dồi dào trong tự nhiên, và CIB hoạt động trong dải điện hóa tương đương pin lithium-ion. Tuy nhiên, những thách thức kỹ thuật đã khiến công nghệ này chậm phát triển. Việc đảm bảo ion Ca2+ di chuyển hiệu quả trong pin và duy trì độ ổn định qua nhiều chu kỳ sạc-xả vẫn là bài toán khó, khiến CIB chưa thể cạnh tranh trực tiếp với pin lithium-ion thương mại.

Để vượt qua rào cản kỹ thuật, nhóm của Giáo sư Yoonseob Kim – Phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học, HKUST – đã phát triển các khung hữu cơ cộng hóa trị có khả năng oxy hóa – khử (redox covalent organic frameworks), đóng vai trò như chất điện phân bán rắn.

Những QSSE giàu nhóm carbonyl này đạt độ dẫn ion mạnh (0,46 mS/cm) và khả năng vận chuyển ion Ca2+ cao (trên 0,53) ở nhiệt độ phòng.

Kết hợp giữa thí nghiệm thực tế và mô phỏng tính toán, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng ion Ca2+ có thể di chuyển nhanh dọc theo các nhóm carbonyl được sắp xếp thẳng hàng trong các lỗ xốp có cấu trúc trật tự của khung hữu cơ. Cơ chế “đường dẫn có định hướng” này giúp tăng tốc độ vận chuyển ion và cải thiện độ ổn định của pin.

Hiệu suất ấn tượng sau 1.000 chu kỳ

Dựa trên nền tảng mới, nhóm đã chế tạo thành công một cell pin ion canxi hoàn chỉnh với dung lượng riêng hồi phục đạt 155,9 mAh/g ở mật độ dòng 0,15 A/g.

Đáng chú ý, ngay cả ở mật độ dòng cao 1 A/g, pin vẫn duy trì hơn 74,6% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc và xả. Kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu khung hữu cơ oxy hóa – khử trong việc nâng cấp công nghệ pin ion canxi, đưa nó tiến gần hơn tới ứng dụng thực tế.

Giáo sư Kim chia sẻ rằng nghiên cứu này làm nổi bật tiềm năng mang tính chuyển đổi của pin ion canxi như một giải pháp bền vững thay thế công nghệ lithium-ion. Bằng cách khai thác các đặc tính độc đáo của khung hữu cơ cộng hóa trị oxy hóa – khử, nhóm đã tiến thêm một bước quan trọng hướng tới các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu suất cao, đáp ứng nhu cầu của tương lai xanh.