Các nhà khoa học hiện đang chuyển sự tập trung sang một công nghệ độc đáo nhưng đầy triển vọng: pin nhiệt. Đây là loại thiết bị chuyên dụng hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cực cao, nơi pin truyền thống gần như không thể vận hành.
Gần đây, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã đạt được một bước tiến lớn khi phát triển một vật liệu cực âm (cathode) mới, giúp cải thiện hiệu suất và đưa pin nhiệt tiến gần hơn tới khả năng ứng dụng thực tế với hiệu suất cao.
Các florua kim loại chuyển tiếp từ lâu được đánh giá là vật liệu cathode tiềm năng nhờ điện áp lý thuyết cao và độ ổn định nhiệt tốt. Tuy nhiên, trong pin thực tế, các vật liệu này thường bị hòa tan và di chuyển trong chất điện phân trong quá trình hoạt động. Hiện tượng này thường được gọi là “hiệu ứng shuttle”. Nó gây thất thoát vật liệu hoạt tính, làm suy giảm dung lượng và gây hư hỏng cấu trúc về lâu dài.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Wang Song và Zhu Yongping thuộc Viện Kỹ thuật Quy trình của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã phát triển một phương pháp mới nhằm ức chế hiệu ứng shuttle trong cathode florua kim loại chuyển tiếp. Nghiên cứu tập trung vào pin nhiệt, một loại pin hoạt động ở nhiệt độ từ 350 độ C - 550 độ C. Kết quả đã được công bố trên tạp chí Advanced Science ngày 4/1.
“Những phát hiện của chúng tôi cung cấp nền tảng cơ chế cho việc thiết kế các pin nhiệt thế hệ mới có mật độ năng lượng cao thông qua kỹ thuật điều chỉnh giao diện một cách chính xác”, Giáo sư Wang Song, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Pin nhiệt là một loại pin điện hóa đặc biệt, được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ rất cao, thường trên 300 độ C. Khác với pin lithium-ion truyền thống vốn suy giảm nhanh dưới tác động của nhiệt, pin nhiệt sử dụng muối nóng chảy làm chất điện phân. Các muối này chỉ dẫn ion khi được đun nóng. Điều này cho phép pin cung cấp năng lượng tức thời và chịu được những môi trường có thể phá hủy các hệ lưu trữ thông thường.
Nhờ các đặc tính này, pin nhiệt giữ vai trò không thể thay thế trong một số lĩnh vực. Chúng được sử dụng trong quân sự, hàng không vũ trụ, hệ thống cấp điện khẩn cấp và thiết bị khoan giếng sâu. Đây là những môi trường đòi hỏi độ khả năng chịu nhiệt và hiệu suất tuyệt đối.
Tuy nhiên, dù có độ bền cao, pin nhiệt từ lâu vẫn tồn tại một hạn chế cốt lõi là hiệu suất cathode. Nghiên cứu mới nhằm trực tiếp giải quyết điểm yếu này.
Trong môi trường muối nóng chảy ở nhiệt độ cao, các hạt cathode hoạt tính có thể hòa tan vào chất điện phân và di chuyển khỏi vị trí ban đầu. Quá trình này không chỉ làm giảm lượng vật liệu hoạt tính có thể sử dụng mà còn tạo ra các phản ứng phụ, khiến hiệu suất suy giảm và rút ngắn tuổi thọ pin.
Nhóm nghiên cứu đã giải quyết vấn đề bằng một cách thiết kế vật liệu mới. Bước đột phá nằm ở việc tạo ra một lớp vỏ đặc biệt bao quanh các hạt CoF₂. Lớp vỏ này cho phép các ion có lợi di chuyển qua, đồng thời ngăn chặn việc hòa tan.
Khánh Linh
Theo IE
