Tạo tiền đề cho tương lai điện, các kỹ sư tạo ra chất điện phân không phụ thuộc điện cực
Tác giả: Renee Meiller, Đại học Wisconsin-Madison
Chiến lược thiết kế chất điện phân. Minh họa sự phân bố dung môi trong chất điện phân trong quá trình sạc pin. Nguồn: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63902-4
Trong quá trình phát triển một chất điện phân mới đa năng, một nhóm kỹ sư của Đại học Wisconsin-Madison đã thực hiện bước tiếp theo hướng tới một loại pin hiệu quả hơn, chứa nhiều năng lượng hơn, có thể thay thế pin lithium-ion phổ biến hiện nay. Loại pin mới này—pin natri-ion ban đầu không có cực dương—là ứng cử viên hàng đầu cho việc cung cấp năng lượng cho xe điện trong tương lai hoặc lưu trữ năng lượng trong lưới điện.
Nhóm nghiên cứu cũng đang sử dụng chất điện phân mới này làm hệ thống mô hình để tìm hiểu cách điều khiển các phân tử trong chất điện phân sao cho môi trường tương thích với các thành phần pin khác nhau.
Dưới sự dẫn dắt của Fang Liu, phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật của UW–Madison, và các nghiên cứu sinh tiến sĩ Qianli Xing và Ziqi Yang, nhóm nghiên cứu đã công bố chi tiết về tiến bộ của mình trên tạp chí Nature Communications.
Thông thường, pin được cấu tạo từ hai điện cực—một cực dương (cực âm) và một cực âm (cực dương)—cũng như một chất điện phân lỏng. Trong trường hợp này, đặc điểm "ban đầu không có cực dương" của pin có nghĩa là cực dương vật lý của nó hình thành bên trong pin ngay sau lần sạc đầu tiên—làm cho nó đơn giản hơn, ít tốn kém hơn và chứa nhiều năng lượng hơn.
Chứa dung môi và muối hòa tan, chất điện phân là môi trường lỏng tiếp xúc với tất cả các bộ phận của cell pin và trong quá trình sạc hoặc xả, giúp các ion di chuyển giữa các điện cực.
Trong pin, cực dương và cực âm là các vật liệu khác nhau—ví dụ, than chì, cacbon cứng natri hoặc lithium làm cực dương và oxit kim loại chuyển tiếp như lithium niken mangan coban oxit hoặc natri niken sắt mangan oxit làm cực âm.
Một trong những thách thức trong việc phát triển pin thế hệ tiếp theo là không có chất điện phân nào phù hợp với tất cả mọi người, hoạt động hiệu quả với cả hai loại vật liệu điện cực. Ngược lại, khi chất điện phân chứa nhiều phân tử dung môi, việc kiểm soát tương tác và hành vi của chúng là một thách thức.
Điều chỉnh chất điện phân là một hành động cân bằng liên quan đến nhiều yếu tố, bao gồm cách các phân tử dung môi trong chất điện phân tạo thành một "lớp vỏ" bao quanh các ion, có thể tăng tốc hoặc cản trở chuyển động của các ion giữa cực dương và cực âm—điều này cuối cùng ảnh hưởng đến quá trình sạc và xả pin, cùng với hiệu suất tổng thể của pin.
"Sử dụng hệ thống mô hình này, về cơ bản, chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu liệu chúng tôi có thể đưa các phân tử khác nhau lên các bề mặt điện cực khác nhau hay không—ví dụ, một dung môi ổn định với cực dương lên cực dương, và sau đó là một dung môi ổn định với cực âm lên cực âm", Liu nói.
"Theo cách này, hỗn hợp chất điện phân sẽ hoạt động lý tưởng như một dung môi ổn định anot-tại anot, và như một dung môi ổn định catot-tại catot."
Phó Giáo sư Fang Liu thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, nghiên cứu sinh Tiến sĩ Qianli Xing, và các cộng sự đã sử dụng cả phương pháp thực nghiệm và tính toán để tạo ra một chất điện phân mới, hiệu quả hơn cho pin trong tương lai. Nguồn: Joel Hallberg/UW–Madison
Để tạo ra chất điện phân mới, nhóm nghiên cứu đã trộn hai dung môi gốc ether: 2-methyltetrahydrofuran, hay 2-MeTHF, ổn định hơn ở anot, và tetrahydrofuran, hay THF, ổn định hơn ở catot.
Điều quan trọng là họ đã tìm ra cách hợp lý hóa thiết kế chất điện phân: Các dung môi chiếm ưu thế ở lớp vỏ đầu tiên xung quanh các ion tích điện dương di chuyển giữa các điện cực là chìa khóa cho sự ổn định của anot, trong khi các dung môi "tự do" hoặc liên kết yếu hơn lại quan trọng đối với sự ổn định của catot.
"Thông qua công trình kỹ thuật điện phân này, chúng tôi đã cố gắng làm sáng tỏ những yếu tố quyết định độ ổn định của anot và catot riêng biệt, cũng như cách đưa các phân tử phù hợp vào cả hai điện cực", Liu nói.
"Qianli phát hiện ra rằng yếu tố then chốt là mật độ dung môi trong lớp solvat hóa đầu tiên so với bên ngoài, và vị trí của chúng quyết định sự xuất hiện của chúng trong quá trình hình thành pin."
Thử nghiệm tính toán, do cộng tác viên Reid Van Lehn, phó giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học tại UW–Madison, và sinh viên Jung Min Lee của ông thực hiện, cũng đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu này. Họ đã sử dụng mô phỏng động lực học phân tử toàn nguyên tử để dự đoán thành phần của các phân tử dung môi gần các ion natri và xác định xem các ion đó có "ưa thích" dung môi này hơn dung môi kia hay không.
"Kết quả của chúng tôi thực sự cho thấy - phù hợp với các thí nghiệm của nhóm Liu - rằng chúng tôi có thể xác định được một dung môi tương tác mạnh (2-MeTHF) và một dung môi tương tác yếu (THF)", Van Lehn nói.
"Chúng tôi tiếp tục sử dụng các phép tính này để liên hệ hành vi này với cường độ tương đối của các tương tác của từng loại dung môi, cung cấp cái nhìn sâu sắc ở quy mô phân tử có thể được mở rộng sang các hỗn hợp phức tạp hơn để tiếp tục tối ưu hóa
Thiết kế chất điện phân."
Nghiên cứu này đặt nền móng cho những bước tiếp theo trong việc phát triển không chỉ pin natri-kim loại mà còn cả các giải pháp thay thế mới khác cho pin lithium-ion.
"Thông qua nghiên cứu này, chúng tôi bắt đầu hiểu rằng tương tác giữa dung môi và anion trở nên thực sự quan trọng", Liu nói. "Chúng tôi đang cố gắng mở rộng thư viện dung môi của mình để điều khiển các loại tương tác này, để xem liệu nguyên lý hoạt động này có thể được áp dụng cho các thư viện dung môi rộng hơn và các loại pin hóa học khác nhau hay không."
