Coban là một trong hai thành phần chính và là vật liệu cơ sở, chiếm tỉ lệ hơn 50% trong sản xuất pin Lithium-ion (Li-ion). Pin Li-ion thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho những thiết bị điện thoại di động, máy tính xách tay và thậm chí là cả xe hơi. Khoảng 50% trữ lượng Coban nguyên chất trên thế giới được khai thác thủ công (chủ yếu bằng tay) từ những mỏ khoáng ở Congo bởi những người thợ mỏ, trong đó có cả trẻ em.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây được thực hiện bởi các nhà khoa học tại trường Đại học California, Berkeley đã mở đường cho khả năng sử dụng các chất xúc tác kim loại khác trong sản xuất pin lithium-ion, đồng thời, chế tạo ra điện cực âm (cathode) với khả năng lưu trữ lithium cao hơn 50% so với các vật liệu thông thường.

GS. GerbrandCeder, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Berkeley, cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi đã mở ra một không gian mới cho công nghệ pin. Lần đầu tiên, chúng ta đã tìm ra yếu tố vật liệu không những giá thành rẻ mà còn có thể làm tăng hiệu quả trao đổi electron trong pin".

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature là sự hợp tác giữa các nhà khoa học tại Đại học UC Berkeley, Phòng thí nghiệm Berkeley, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, MIT và UC Santa Cruz.

Trong pin lithium ngày nay, ion lithium được lưu trữ trong điện cực âm (điện cực tích điện âm) là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp. Vai trò của Coban là giúp duy trì cấu trúc lớp này. Trong quá trình sạc pin, các ion Li chuyển động từ cathode sang phía bên kia của pin. Sự vắng mặt của các ion lithium trong cực âm để lại rất nhiều không gian. Hầu hết các ion kim loại sẽ di chuyển vào không gian đó, phá vỡ cấu trúc của cathode. Tuy nhiên, là một trong số ít các yếu tố không di chuyển xung quanh nên coban đóng vai trò quan trọng đối với ngành công nghiệp pin.

Vào năm 2014, các chuyên gia làm việc tại phòng thí nghiệm của Ceder đã tìm ra một phương pháp giúp cathode duy trì mật độ năng lượng cao mà không cần cấu trúc dạng lớp có tên gọi là muối đá hỗn độn. Nghiên cứu mới chỉ ra rằng mangan có thể hoạt động trong cấu trúc này. Đây là một bước đi đầy hứa hẹn, vì so với coban, mangan là nguyên tố rẻ tiền và được tìm thấy nhiều trong lớp vỏ Trái đất.

Ceder cho biết: "Nếu muốn thay thế coban bằng các chất xúc tác khác, cần thiết phải phá vỡ cấu trúc phân tầng trong cathodes. Việc thay đổi trật tự cấu trúc trong cực âm cho phép chúng ta sử dụng nhiều nguyên tố kim loại khác trong bảng tuần hoàn".

Công nghệ mới có thể được sử dụng nâng cao hiệu suất của cathode. Bằng cách pha loãng florua, các chuyên gia đã kết hợp một lượng lớn mangan trong cathode. Các ion mangan với điện tích phù hợp cho phép các cathode lưu giữ nhiều ion lithium, do đó, tăng hiệu suất của pin. Ceder khẳng định nghiên cứu về cấu trúc hỗn độn chính là chìa khóa quan trọng cho sự thành công của họ.

Hiệu suất của cathode được đo bằng năng lượng trên một đơn vị trọng lượng, được gọi là watt-giờ trên kilogram. Hiệu suất hoạt động của cathode chứa mangan có cấu trúc hỗn độn là 1.000 watt-giờ/kg trong khi hiệu suất thông thường của cathode trong pin li-ion đạt khoảng 500-700 watt-giờ/kg.

Nghiên cứu sinh tại MIT Jinhyuk Lee cho biết: "Nghiên cứu mới là một cải tiến lớn so với các cathode thông thường trong ngành công nghiệp pin”. 

Công nghệ mới cần được mở rộng và thử nghiệm nhiều hơn trong các ứng dụng như máy tính xách tay hoặc xe điện. Nhưng Ceder cho biết cho dù trong tương lai công nghệ này có được sử dụng trong sản xuất pin hay không thì cũng cần phải công nhận rằng các nhà nghiên cứu đã mở ra những khả năng mới trong sản xuất cathode, và điều này thậm chí được cho là quan trọng hơn rất nhiều.

Ceder khẳng định có thể sử dụng bất kỳ nguyên tố nào trong bảng tuần hoàn vì các cực âm không có cấu trúc lớp. Do đó, chúng ta có nhiều cơ hội để khám phá các cathode mới.
 

Theo NASATI