Trong một sự hợp tác quy mô siêu khoa học với các nhà nghiên cứu người Pháp từ College de France và Đại học Montpellier, các nhà khoa học Skoltech đã chỉ ra một vấn đề được công khai rộng rãi với pin lithium-ion thế hệ tiếp theo là do chính các thí nghiệm tìm cách điều tra vấn đề này gây ra. Được công bố trên Nature Materials, những phát hiện của nhóm nghiên cứu cho thấy vấn đề về sự suy giảm vật liệu catốt giàu lithium nên được tiếp cận từ một góc độ khác, mang lại hy vọng về những loại pin lithium-ion hiệu quả hơn có thể lưu trữ thêm khoảng 30% năng lượng.
Bằng cách phân tích dữ liệu từ Cơ sở bức xạ synchrotron châu Âu (ESRF), các tác giả của nghiên cứu đã chỉ ra rằng phân tử khí oxy (O₂), liên quan đến sự phân hủy catốt và được quan sát thấy trong quang phổ tán xạ tia X không đàn hồi cộng hưởng (RIXS), thực sự đã hình thành do tiếp xúc với tia X trong thí nghiệm. Tín dụng: Liubov Savenkova
Lưu trữ năng lượng hiệu quả là rất quan trọng đối với quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế ít carbon, cho dù trong các ứng dụng quy mô lưới điện, xe điện hay thiết bị di động. Pin lithium-ion vẫn là công nghệ lưu trữ điện hóa được phát triển tốt nhất và hứa hẹn sẽ có những cải tiến hơn nữa. Đặc biệt, pin thế hệ tiếp theo với cái gọi là catốt giàu lithium có thể lưu trữ nhiều hơn khoảng một phần ba năng lượng so với các loại pin hiện đại có catốt làm bằng lithium nickel manganese cobalt oxide, hay NMC.
Một thách thức chính cản trở việc thương mại hóa pin giàu lithium là sự suy giảm điện áp và dung lượng. Khi pin được sạc và xả nhiều lần trong quá trình sử dụng bình thường, vật liệu catốt của pin bị suy thoái theo bản chất không rõ ràng, gây ra tình trạng mất điện áp và dung lượng dần dần. Vấn đề này được biết là có liên quan đến quá trình khử và oxy hóa các nguyên tử oxy trong NMC, nhưng bản chất chính xác của quá trình oxy hóa khử này vẫn chưa được hiểu rõ. Khoảng cách lý thuyết này làm suy yếu các nỗ lực khắc phục tình trạng suy giảm điện áp và đưa pin thế hệ tiếp theo ra thị trường.
Một giả thuyết hàng đầu cho rằng trong suốt vòng đời của pin, các nguyên tử oxy, ban đầu được kết hợp vào cấu trúc tinh thể của catốt, tạo thành các phân tử O₂ quen thuộc—giống như các phân tử trong không khí chúng ta hít thở. Trên thực tế, một số nghiên cứu sử dụng quang phổ tia X tiên tiến đã phát hiện ra dấu hiệu O₂ trong vật liệu catốt giàu lithium.
Dạng oxy đó hầu như không hoạt động về mặt điện hóa, làm giảm hiệu suất của pin. Theo một cách nào đó, giả thuyết này gây ra thảm họa cho pin thế hệ tiếp theo, vì một khi đã hình thành, các phân tử O₂ rất ổn định nên quá trình không mong muốn này sẽ rất khó đảo ngược.
"Rất may là nghiên cứu mới nhất của chúng tôi đã đưa giả thuyết về oxy phân tử vào dĩ vãng", Phó giáo sư Dmitry Aksyonov của Skoltech Energy, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết.
"Bằng cách kiểm tra dữ liệu từ các thí nghiệm tán xạ tia X lớn, chúng tôi đã chứng minh rằng các phân tử O₂ bị mắc kẹt trong vật liệu catốt và được cho là nguyên nhân khiến hiệu suất của nó giảm sút có thể là sản phẩm của thí nghiệm. Rõ ràng, sự hình thành của chúng được gây ra bởi chính tia X được sử dụng để phát hiện ra chúng."
Cơ chế đề xuất cho phân tử O 2 . Tín dụng: Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02144-7
Bằng cách giải quyết sự không chắc chắn lâu dài trong cơ chế oxy hóa oxy trong vật liệu catốt NMC, khám phá này cho phép nghiên cứu sâu hơn tập trung vào các cách ổn định cái gọi là oxy cấu trúc. Điều này đề cập đến các nguyên tử oxy không bao giờ thực sự tách khỏi cấu trúc tinh thể của vật liệu catốt để tạo thành các phân tử riêng biệt mà chỉ mất một electron trong quá trình hoạt động của pin. Theo các nhà nghiên cứu, việc ổn định vật liệu catốt với vấn đề đó trong đầu sẽ dễ dàng hơn so với khi giả thuyết oxy phân tử được chứng minh là đúng.
"Nghiên cứu này là một ví dụ về sự kết hợp tuyệt vời giữa các thí nghiệm, lý thuyết và mô hình máy tính", Nhà nghiên cứu khoa học Andrey Geondzhian từ Skoltech Energy, người đã mô hình hóa quang phổ tán xạ tia X không đàn hồi cộng hưởng, cho phép giải thích chính xác các phát hiện của thí nghiệm khoa học lớn được thực hiện tại Pháp, cho biết.
"Nếu không có mô hình, sẽ không thể xác định rõ ràng liệu các phân tử O₂ có bị tách rời hoàn toàn hay vẫn duy trì một số liên kết với cấu trúc hay không. Ngược lại, dữ liệu thực nghiệm cung cấp các ràng buộc nghiêm ngặt thu hẹp phạm vi các kịch bản có thể xảy ra và cho phép chúng tôi đề xuất con đường về cách tia X thúc đẩy sự hình thành oxy phân tử."
Đồng tác giả nghiên cứu và giám đốc của Skoltech Energy, Giáo sư danh dự Artem Abakumov, nhận xét, "Chúng tôi hy vọng những phát hiện của chúng tôi sẽ truyền cảm hứng cho các chiến lược tối ưu hóa mới để tinh chỉnh sự cân bằng giữa quá trình oxy hóa oxy, hòa tan kim loại và hình thành nanovoid—và sự tương tác của chúng với các phương pháp phủ và pha tạp cho catốt nhiều lớp. Hiểu sâu hơn về các yếu tố này có thể cải thiện đáng kể tuổi thọ của pin lithium-ion trong tương lai dựa trên vật liệu NMC."
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
