MOF thủy tinh đột phá giúp Pin Lithium-ion sạc cực nhanh

Hiệu ứng Hiệp lực của MOF Thủy Tinh trong việc tăng cường giải phóng dung môi và vận chuyển ion Li để tạo ra pin sạc siêu nhanh.

Pin xe điện (EV) và điện thoại thông minh đang nắm giữ tương lai của chúng ta, nhưng một rào cản lớn vẫn là tốc độ sạc chậm. Điểm nghẽn này chủ yếu nằm ở anode graphite (cực âm). Khi sạc nhanh, các ion Lithium (Li) gặp khó khăn trong việc nhanh chóng tách bỏ các phân tử dung môi bao quanh chúng - quá trình gọi là desolvation - trước khi chui vào vật liệu anode.

Sự chậm trễ này dẫn đến thảm họa: lớp mạ Lithium kim loại hình thành (gây đoản mạch và rủi ro an toàn nghiêm trọng) và tạo ra lớp giao diện điện phân rắn (SEI) không ổn định, khiến dung lượng pin suy giảm nhanh chóng.

Các giải pháp truyền thống như chất điện phân đậm đặc hay lớp phủ bề mặt thông thường chỉ giải quyết được một phần, thường phải đánh đổi bằng khả năng sạc, chi phí, hoặc tính khả thi trong sản xuất hàng loạt. Thách thức lớn nhất là tìm ra một vật liệu có thể đồng thời tăng tốc quá trình tách dung môi và đảm bảo sự vận chuyển ion nhanh, ổn định đến graphite.

Màng Lọc Nano Thủy Tinh: "Cổng Gác" Mở Đường Cho Ion Nhanh Hơn

Để giải quyết vấn đề nan giải này, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Zhi Chang (Đại học Central South) và Giáo sư Haoshen Zhou (Đại học Nam Kinh) dẫn đầu đã phát triển một chiến lược phủ anode mang tính chuyển đổi: sử dụng khung kim loại-hữu cơ (MOF) dạng thủy tinh.

“Chìa khóa là thiết kế một lớp phủ hoạt động theo trình tự: đầu tiên là người gác cổng chọn lọc, sau đó là siêu xa lộ cho ion lithium,” Giáo sư Chang giải thích.

Công trình của họ, được công bố trên National Science Review, đã chứng minh một anode graphite được phủ đồng nhất cho phép hiệu suất sạc nhanh chưa từng có.

Đột phá nằm ở sự tiến hóa động học của lớp phủ:

Ban đầu, nó được phủ dưới dạng một lớp thủy tinh siêu mỏng (~5 nm), liên tục.
Trong chu kỳ phóng điện đầu tiên, lớp phủ này biến đổi thành một cấu trúc hai lớp độc đáo.

Lớp bên ngoài là một thủy tinh MOF cứng, cách điện với các lỗ chân lông được thiết kế chính xác, rộng 2.93 Å. Các kênh dưới nanomet này hoạt động như một sàng phân tử, cưỡng bức loại bỏ các phân tử dung môi khỏi ion lithium (pre-desolvation) và tạo ra một môi trường ion đậm đặc, giúp hình thành lớp SEI bền chắc, giàu LiF.

Đồng thời, một lớp bên trong giàu Li₃P hình thành tiếp xúc với graphite. Giáo sư Chang lưu ý: “Li₃P là một chất dẫn ion lithium tuyệt vời. Lớp này hoạt động như một bộ tăng tốc ion, cho phép các ion lithium nhỏ hơn, đã được giải phóng một phần dung môi, khuếch tán cực nhanh vào khối graphite.”

Thiết kế hiệp lực này - tách rời bước tách dung môi chậm khỏi bước vận chuyển tiếp theo—chính là sự đổi mới cốt lõi.

Hiệu suất vượt trội

Kết quả điện hóa vô cùng ấn tượng. Trong các thử nghiệm nửa pin, anode Glass@Graphite duy trì dung lượng cao hơn 250 mAh/g ở dòng điện cực cao 5C (gấp hơn năm lần so với graphite trần).

Quan trọng hơn, trong các pin đầy đủ thực tế ghép nối với cathode NCM-811 thương mại, pin thể hiện độ ổn định đặc biệt, giữ lại 88% dung lượng sau 1.000 chu kỳ dưới chế độ sạc nhanh 4C cực kỳ khắt khe.

Để xác nhận tính ứng dụng trong thế giới thực, nhóm đã chế tạo một pin pouch 2.36 Ah. Pin này đạt mật độ năng lượng cao 283 Wh/kg và duy trì hơn 80% dung lượng sau 300 chu kỳ, khẳng định tính khả thi thương mại của công nghệ. Phân tích sau thử nghiệm cho thấy bề mặt graphite sạch, không có dendrite (cành kim loại Li) và cấu trúc tinh thể ổn định, xác nhận khả năng bảo vệ hiệu quả của lớp phủ trong suốt thời gian dài.

Triển vọng cho thế hệ sạc siêu tốc

Chiến lược phủ MOF dạng thủy tinh này cung cấp một giải pháp dứt điểm cho sự đánh đổi kéo dài giữa tách dung môi và vận chuyển trong anode graphite. Quá trình tổng hợp nhiệt độ thấp, có khả năng mở rộng khiến nó cực kỳ hấp dẫn cho việc áp dụng công nghiệp.

Bằng cách thiết kế một giao diện thông minh quản lý dòng chảy ion với độ chính xác ở cấp độ nano, công trình này mở ra một con đường rõ ràng và đầy hứa hẹn cho sự phát triển của thế hệ pin lithium-ion tiếp theo, có khả năng đạt được cả sạc siêu nhanh và tuổi thọ dài lâu. Công nghệ MOF thủy tinh này có tiềm năng thay đổi đáng kể thời gian sạc cho xe điện.