Từ điện thoại di động, xe điện đến lưới điện siêu nhỏ, tương lai đều chạy bằng pin. Tuy nhiên, loại pin lithium-ion phổ biến hiện nay đòi hỏi những vật liệu đắt tiền, khó tìm và chất điện phân lỏng của chúng có thể tạo ra sản phẩm dễ bay hơi. Pin thể rắn là một lựa chọn an toàn hơn, có thể chứa nhiều năng lượng hơn, nhưng việc khai thác hiệu quả mối quan hệ giữa cấu trúc và hiệu suất của chúng vẫn là một rào cản phức tạp trong việc tạo ra pin tốt hơn.
Tìm kiếm cấu trúc CTCH dựa trên phương pháp giải thuật di truyền. Nhà cung cấp hình ảnh: Hao Li và cộng sự.
Tuy nhiên, giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến (WPI-AIMR) và Viện Nghiên cứu Vật liệu tại Nhật Bản đã phát triển một khuôn khổ để dự đoán cấu trúc của chất điện phân thể rắn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của pin như thế nào. Họ đã công bố phát hiện của mình vào ngày 26 tháng 7 trên tạp chí Hóa học Vật liệu .
Đồng tác giả Hao Li, phó giáo sư tại WPI-AIMR cho biết: “Phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn là rất quan trọng để hiện thực hóa một tương lai bền vững”. "Trong vài thập kỷ qua, nhiều nỗ lực tìm kiếm chất điện phân 'ngoài pin lithium' đã được báo cáo, và đặc biệt, chất điện phân hydrua phức hợp loại closo (CTCH) hóa trị hai là những lựa chọn thay thế có giá trị để khắc phục các hạn chế về an toàn và mật độ năng lượng của lithium- công nghệ ion."
Một loại pin thông thường bao gồm các điện cực kim loại tích điện trái dấu trong chất điện phân lỏng. Các ion lithium khuếch tán điện cực tích điện dương và gắn vào carbon trên electron tích điện âm. Quá trình đảo ngược khi năng lượng được sử dụng. Theo các nhà nghiên cứu, chất điện phân CTCH có thể đẩy nhanh tốc độ khuếch tán các ion dương trong quá trình này. Độ dẫn tăng lên này đạt được bằng cách thêm các phân tử trung tính vào mạng cấu trúc của CTCH.
Shin-ichi Orimo, giáo sư và giám đốc của WPI-AIMR, cho biết: “CTCH chứa phân tử trung tính là một loại vật liệu đầy hứa hẹn nhưng có độ phức tạp cao”. “Các yếu tố chính quyết định hiệu suất của chúng với tư cách là chất điện phân pin và mối quan hệ giữa cấu trúc và hiệu suất của chúng là một bí ẩn lớn cản trở việc khám phá cơ chế khuếch tán ion và thiết kế pin hiệu suất cao.”
Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu – sự hợp tác giữa các phòng thí nghiệm của Li và Orimo – đã kết hợp một thuật toán di truyền, mô phỏng quá trình chọn lọc tự nhiên để tinh chỉnh các đối tượng của quần thể, với mô hình tính toán về cách năng lượng hoạt động trong một hệ thống. Với khuôn khổ này, các nhà nghiên cứu nhận thấy họ có thể dự đoán việc thêm các phân tử trung tính vào CTCH sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của nó.
Không sử dụng bất kỳ thông tin thực nghiệm nào để thiết lập các tham số, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chiến lược này để dự đoán thành công cả thông tin cấu trúc và năng lượng kích hoạt khuếch tán. Những dự đoán của họ được so sánh gần như giống hệt với những quan sát thực nghiệm.
Li cho biết: “Dựa trên những kết quả này, chúng tôi đã phát triển các mối quan hệ hiệu suất-cấu trúc mạnh mẽ có thể dự đoán chính xác hiệu suất CTCH hóa trị hai và xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ dẫn ion”. “Nghiên cứu này mở ra một con đường mới để xây dựng một bức tranh hiệu suất-cấu trúc chính xác của các vật liệu phức tạp bắt đầu từ thông tin gần như bằng không.”
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu cho biết họ có kế hoạch thiết kế và sàng lọc các chất điện phân hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí, cũng như áp dụng khuôn khổ này để hiểu rõ hơn về các loại chất điện phân thể rắn khác.
