Tương lai của pin nước: Từ liên kết hydro đến hiệu suất cao
Tác giả: Akaash Babar, Đại học Bắc Kinh
Liên kết, lưu trữ và vận chuyển proton khác với các liên kết, lưu trữ và vận chuyển proton của các cation kim loại khác. Nguồn: Matter (2025). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102165
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Pan Feng từ Khoa Vật liệu tiên tiến, Trường sau đại học thuộc Đại học Bắc Kinh Thâm Quyến đứng đầu đã phát hiện ra các cơ chế chính chi phối cách proton được lưu trữ và vận chuyển trong pin nước.
Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng có thể dẫn đến các giải pháp thay thế an toàn hơn, sạc nhanh hơn và dung lượng cao hơn cho pin lithium-ion hiện nay. Được công bố trên Matter, nghiên cứu có tiêu đề "Lưu trữ và truyền proton trong pin nước" tiết lộ cách kỹ thuật mạng liên kết hydro cho phép lưu trữ và vận chuyển proton hiệu quả.
Pin nước, sử dụng chất điện phân gốc nước, về cơ bản an toàn hơn so với hệ thống lithium-ion nhưng theo truyền thống, mật độ năng lượng thấp hơn. Proton, do khối lượng thấp và tính di động cao, có triển vọng lớn, nhưng tính chất hóa học phức tạp của chúng có hạn chế trong ứng dụng thực tế.
Nhóm nghiên cứu của Pan chứng minh rằng proton di chuyển theo cơ chế kiểu Grotthuss, nhảy giữa các liên kết hydro thay vì khuếch tán như các ion kim loại. Điều này cho phép vận chuyển cực nhanh, "không khuếch tán" và định vị proton như các chất mang điện tích lý tưởng cho pin nước hiệu suất cao.
Nghiên cứu này giải quyết một thách thức lâu dài trong lưu trữ năng lượng: đạt được cả tính an toàn và hiệu suất cao. Bằng cách tiết lộ cách các mạng liên kết hydro tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ và vận chuyển proton, nghiên cứu đặt nền tảng lý thuyết vững chắc cho một thế hệ hệ thống năng lượng mới có thể sánh ngang hoặc vượt trội hơn công nghệ lithium-ion.
Không giống như lithium (Li+) và natri (Na+), tạo thành liên kết ion ổn định với oxy trong các khung tinh thể cứng, proton (H⁺) tạo thành liên kết H–O cộng hóa trị, bão hòa hơn và không tích hợp vào mạng theo cùng một cách.
Đặc điểm vận chuyển proton tại giao diện điện cực/chất điện phân. Nguồn: Matter (2025). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102165
Một đóng góp quan trọng của nghiên cứu này là đề xuất ba chiến lược cốt lõi để tối ưu hóa hiệu suất pin nước bằng cách sử dụng kỹ thuật mạng liên kết hydro.
Đầu tiên, trong thiết kế điện cực, các nhà nghiên cứu đề xuất nhúng các mạng liên kết hydro chứa nước hoặc khan vào trong vật liệu trạng thái rắn để tạo ra các con đường được xác định rõ ràng cho quá trình vận chuyển proton.
Thứ hai, thông qua việc điều chỉnh chất điện phân, họ chứng minh rằng việc điều chỉnh nồng độ axit và loại anion có trong chất điện phân có thể ổn định và tăng cường độ dẫn proton.
Thứ ba, về mặt kỹ thuật giao diện, nhóm nghiên cứu cho thấy rằng việc sửa đổi bề mặt điện cực, chẳng hạn như bằng cách đưa vào các nhóm hydroxyl (–OH) và carboxyl (–COOH) bằng cách xử lý plasma oxy, có thể tạo ra các kênh cầu nối proton giúp giảm đáng kể điện trở truyền điện tích giao diện và cải thiện động học phản ứng.
Cùng nhau, các chiến lược này tạo thành một khuôn khổ thống nhất làm rõ hành vi của proton trong các hệ thống nước và mở đường cho việc lưu trữ năng lượng an toàn hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Nghiên cứu này mở đường cho pin nước dựa trên proton thế hệ tiếp theo kết hợp tính an toàn với hiệu suất cao.
Bằng cách thiết kế mạng lưới liên kết hydro, các thiết bị trong tương lai có thể đạt được mật độ năng lượng cao hơn, sạc nhanh hơn và tuổi thọ dài hơn, thúc đẩy các ứng dụng từ lưu trữ lưới điện đến thiết bị điện tử di động và xe điện.
Thông tin thêm: Runzhi Qin et al, Lưu trữ và truyền proton trong pin nước, Vật chất (2025). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102165
Thông tin tạp chí: Vật chất
