Vật liệu Cathode mới mở ra kỷ nguyên pin Magnesium sạc cho xe điện

Các nhà khoa học đã tìm ra thành phần tối ưu cho vật liệu cathode pin magnesium, giúp cải thiện chu kỳ sạc/xả và nâng cao dung lượng pin.

Vật liệu pin và thách thức hiện tại

Pin lithium-ion (Li-ion) đã thống trị thị trường pin sạc nhờ hiệu suất vượt trội, được ứng dụng rộng rãi từ thiết bị điện tử cầm tay cho đến các trạm phát sóng di động. Tuy nhiên, loại pin này cũng tồn tại một số nhược điểm đáng kể. Lithium là một kim loại đắt đỏ, và việc khai thác với tốc độ chóng mặt càng làm giá thành tăng cao.

Hơn nữa, mật độ năng lượng của pin Li-ion chưa đủ để đáp ứng nhu cầu di chuyển của xe điện (EV) và các loại máy móc công nghiệp nặng. Những lo ngại này, cộng thêm rủi ro về an toàn khi pin bị đâm thủng hoặc ở nhiệt độ cao, đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm những công nghệ pin thay thế.

Magnesium: Ứng viên tiềm năng thay thế Lithium

Trong số các nguyên tố đang được thử nghiệm làm chất mang năng lượng hiệu quả cho pin sạc, magnesium (Mg) nổi lên như một ứng viên tiềm năng. Ngoài sự an toàn và nguồn tài nguyên dồi dào, Mg còn có khả năng đạt được dung lượng pin cao hơn. Tuy nhiên, một số thách thức cần được giải quyết trước tiên, bao gồm điện áp thấp của ion Mg và hiệu suất chu kỳ sạc/xả kém ổn định của vật liệu pin Mg.

Khám phá đột phá về vật liệu cathode

Để giải quyết những vấn đề này, một nhóm nghiên cứu do Phó Chủ tịch kiêm Giáo sư Yasushi Idemoto từ Đại học Khoa học Tokyo (Nhật Bản) đứng đầu, đã tập trung vào việc tìm kiếm các vật liệu cathode mới cho pin Mg. Cụ thể, họ tìm cách cải thiện hiệu suất của vật liệu cathode dựa trên hệ MgV (V: Vanadium). May mắn thay, như đã báo cáo trong một nghiên cứu được công bố trực tuyến vào ngày 8 tháng 12 năm 2022 và đăng trên Tập 928 của Tạp chí Hóa học Điện Phân vào ngày 1 tháng 1 năm 2023, họ đã tìm thấy con đường dẫn đến thành công.

Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào hệ Mg₁₃₃V₁.₆₇O₄ nhưng thay thế một phần vanadium bằng manganese (Mn), tạo ra các vật liệu có công thức Mg₁.₃₃V₁.₆₇-xMnₓO₄, với x dao động từ 0.1 đến 0.4. Mặc dù hệ vật liệu này hứa hẹn dung lượng lý thuyết cao, nhưng cần phải phân tích chi tiết hơn về cấu trúc, độ bền chu kỳ và hiệu suất cathode để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của chúng. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều kỹ thuật tiêu chuẩn để mô tả các vật liệu cathode tổng hợp này.

Thành phần tối ưu cho pin Magnesium

Đầu tiên, họ nghiên cứu thành phần, cấu trúc tinh thể, phân bố điện tử và hình thái hạt của hợp chất Mg₁.₃₃V₁.₆₇-xMnₓO₄ bằng cách sử dụng phương pháp nhiễu xạ và hấp thụ tia X, cùng với kính hiển vi điện tử truyền qua. Các phân tích cho thấy Mg₁.₃₃V₁.₆₇-xMnₓO₄ có cấu trúc spinel với thành phần đồng nhất đáng ngạc nhiên. Tiếp đó, các nhà khoa học tiến hành một loạt các phép đo điện hóa để đánh giá hiệu suất pin của Mg₁.₃₃V₁.₆₇-xMnₓO₄, sử dụng các chất điện phân khác nhau và thử nghiệm đặc tính sạc/xả ở nhiều mức nhiệt độ.

Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy dung lượng xả cao ở các vật liệu cathode này—đặc biệt là Mg₁.₃₃V₁.₅₇Mn₀.₁O₄—nhưng dung lượng này cũng thay đổi đáng kể tùy thuộc vào số chu kỳ sạc. Để hiểu rõ nguyên nhân, họ đã phân tích cấu trúc cục bộ gần các nguyên tử vanadium trong vật liệu. "Có vẻ như cấu trúc tinh thể đặc biệt ổn định cùng với khả năng bù trừ điện tích lớn của vanadium đã dẫn đến đặc tính sạc/xả vượt trội mà chúng tôi quan sát thấy ở Mg₁.₃₃V₁.₅₇Mn₀.₁O₄," Giáo sư Idemoto nhận định. "Kết hợp lại, kết quả của chúng tôi cho thấy Mg₁.₃₃V₁.₅₇Mn₀.₁O₄ có thể là một ứng viên cathode tiềm năng cho pin sạc magnesium."

Hài lòng với những phát hiện hiện tại và đầy hy vọng về tương lai, Giáo sư Idemoto kết luận: "Thông qua nghiên cứu và phát triển trong tương lai, pin magnesium có thể vượt qua pin lithium-ion nhờ mật độ năng lượng cao hơn."

Quả thực, các hệ MgV đã được thay thế có thể dẫn đến thế hệ pin tiếp theo mà chúng ta đang chờ đợi bấy lâu nay. Hy vọng rằng một giải pháp thay thế cho lithium trong pin sạc sẽ sớm trở thành hiện thực.