Để thúc đẩy sự tiến bộ trong tương lai của ngành công nghiệp điện tử, các kỹ sư sẽ cần phát triển các loại pin có thể sạc nhanh, có mật độ năng lượng cao hơn (tức là có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn) và sử dụng được lâu hơn. Trong số các giải pháp thay thế hứa hẹn nhất cho pin lithium-ion (Li-ion), loại pin cung cấp năng lượng cho hầu hết các thiết bị trên thị trường hiện nay, là pin lithium-metal (LMB).
Thiết kế phân tử dung môi không đối xứng cho pin Li-metal hiệu suất cao. Tín dụng: Choi et al. ( Nature Energy , 2025), mô hình eVTOL lấy từ EveAir theo giấy phép Creative Commons.
Như tên gọi của chúng, LMB có cực dương (tức là điện cực âm) làm bằng kim loại Li. So với pin Li-ion có cực dương làm bằng than chì hoặc silicon, LMB có thể thể hiện mật độ năng lượng cao hơn đáng kể.
Mặc dù có tiềm năng, LMB được phát hiện có động học oxy hóa khử chậm và khả năng đảo ngược chu kỳ kém. Những hạn chế này có xu hướng ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của chúng, làm giảm tốc độ sạc và hiệu quả của chúng theo thời gian.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã cố gắng phát triển các dung môi điện phân mới có thể cải thiện hiệu suất của LMB.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Energy, họ giới thiệu các dung môi gốc ete không đối xứng được phát hiện có khả năng tăng tốc độ sạc LMB, đồng thời tăng cường tính ổn định và độ tin cậy của chúng theo thời gian.
"Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra pin lithium kim loại tốc độ cao bằng cách thiết kế các phân tử dung môi tốt hơn", Rok Choi, tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết với Tech Xplore. "Chúng tôi lấy cảm hứng từ etyl metyl cacbonat (EMC), một alkyl cacbonat bất đối xứng được sử dụng trong pin Li-ion, và khám phá xem liệu một cấu trúc bất đối xứng tương tự có thể tăng cường dung môi ete cho pin Li-metal hay không".
Bên trái: Sơ đồ dung môi đối xứng cho thấy động học oxy hóa khử chậm và sự hình thành SEI có nguồn gốc từ dung môi không ổn định do hiệu ứng che chắn dung môi. Bên phải: Sơ đồ dung môi không đối xứng cung cấp động học oxy hóa khử nhanh và sự hình thành SEI thuận lợi do sự định hướng lại dung môi do lưỡng cực (δ) gây ra và hiệu ứng che chắn dung môi ít hơn. Nguồn: Choi et al. ( Nature Energy , 2025).
Dung môi gốc ete thường được sử dụng làm chất điện phân pin. Dung môi gốc ete thông thường là hợp chất chứa hai nhóm hydrocarbon liên kết với nhau bằng các nguyên tử oxy và có tính đối xứng.
Các dung môi ete đối xứng này được phát hiện có thể làm chậm tốc độ trao đổi ion lithium, do đó ảnh hưởng xấu đến tốc độ sạc pin và độ ổn định của pin theo thời gian.
Do đó, Choi và các đồng nghiệp của ông đã bắt đầu khám phá hiệu suất của dung môi ete không đối xứng, được tạo thành từ các phân tử có nhóm bên khác nhau, làm chất điện phân cho LMB.
"Chúng tôi đã thiết kế các dung môi giúp giảm thiểu sự cản trở lập thể trong quá trình khử solvat Li+", Choi giải thích. "Các dung môi đối xứng có xu hướng chặn Li+ khỏi anot dưới điện trường, làm chậm quá trình truyền điện tích. Ngược lại, các dung môi không đối xứng sẽ sắp xếp theo cách tạo điều kiện cho quá trình khử và khử solvat Li+ nhanh hơn".
Các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa định hướng lưỡng cực (tức là sự sắp xếp của các cặp điện tích dương và âm) trong dung môi của họ. Họ phát hiện ra rằng điều này cải thiện quá trình truyền điện tích, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho sự di chuyển của các ion Li, thúc đẩy sự hình thành pha điện phân rắn ổn định hơn (SEI) và lớp mạ Li đồng nhất trên anot kim loại Li.
Choi cho biết: "Chúng tôi phát hiện ra rằng tính bất đối xứng phân tử cao hơn sẽ đẩy nhanh động học Li+, dẫn đến SEI ổn định hơn và tuổi thọ chu kỳ dài hơn trong điều kiện tốc độ cao".
"Bằng cách tối ưu hóa cả xương sống ete và mức độ flo hóa, chúng tôi đã phát triển F3EME thành một dung môi lý tưởng, chứng minh được hơn 600 chu kỳ cho các pin túi không có anot trong một giao thức thử nghiệm được thiết kế để mô phỏng các ứng dụng eVTOL (cất cánh và hạ cánh thẳng đứng bằng điện)."
Trong các thí nghiệm ban đầu, các dung môi ete không đối xứng do nhóm nghiên cứu này thiết kế đã cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của LMB.
Trong tương lai, Choi và các đồng nghiệp của ông có kế hoạch thiết kế các chất điện phân khác có cấu trúc phân tử cơ bản tương tự, đồng thời đưa chúng vào nhiều loại pin gốc Li khác nhau và đánh giá thêm tiềm năng của chúng.
Choi cho biết thêm: "Dựa trên chiến lược thiết kế phân tử này, chúng tôi đặt mục tiêu mở rộng danh mục dung môi cho nhiều hệ thống pin khác nhau, bao gồm pin Li-metal, Li-ion (có cực dương Si) và pin Li-S".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
