Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa Kỳ đã thiết kế được loại vật liệu pin cung cấp năng lượng bền vững cho ô tô điện.

Pin lithium-ion mới có cực âm làm từ vật liệu hữu cơ, thay vì coban hoặc niken (kim loại thông dụng trong pin lithium-ion). Vật liệu này được sản xuất với chi phí thấp hơn nhiều nhưng tốc độ dẫn điện tương tự coban. Hơn nữa, pin mới có dung lượng lưu trữ tương đương và có thể được sạc nhanh hơn pin coban.

Đa số ô tô điện đều chạy bằng pin lithium-ion. Trong hầu hết các loại pin lithium-ion, cực âm chứa coban, kim loại mang lại độ ổn định và mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, coban có những hạn chế nhất định. Kim loại quý hiếm này có giá thành nhiều biến động và phần lớn trữ lượng coban trên thế giới nằm ở các quốc gia bất ổn về chính trị. Hoạt động khai thác coban diễn ra trong điều kiện làm việc nguy hiểm và phát sinh chất thải độc hại, gây ô nhiễm đất, không khí và nước xung quanh các mỏ.

Do đó, rất nhiều nghiên cứu đã tập trung phát triển các vật liệu pin thay thế, trong đó có ithium-iron-phosphate (LFP) được một số nhà sản xuất ô tô sử dụng trong xe điện. LFP mặc dù vẫn hữu dụng trên thực tế nhưng có mật độ năng lượng bằng khoảng một nửa so với pin coban và niken.

Một lựa chọn hấp dẫn khác là sử dụng vật liệu hữu cơ, nhưng cho đến nay hầu hết các vật liệu hữu cơ không đáp ứng được yêu cầu về độ dẫn điện, khả năng lưu trữ và tuổi thọ của pin chứa coban. Do có độ dẫn điện thấp nên vật liệu này thường được trộn với các chất kết dính như polime để duy trì mạng lưới dẫn điện. Tuy nhiên, các chất kết dính chiếm ít nhất 50% vật liệu, làm giảm dung lượng lưu trữ của pin.

Khoảng 6 năm trước, nhóm nghiên cứu đã triển khai dự án phát triển pin hữu cơ để cung cấp năng lượng cho ô tô điện. Kết quả đã phát hiện ra vật liệu hoàn toàn hữu cơ có triển vọng là chất dẫn điện mạnh. Vật liệu này gồm có nhiều lớp TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone), phân tử hữu cơ nhỏ chứa ba vòng lục giác hợp nhất. Các lớp TAQ mở rộng ra ngoài theo mọi hướng, tạo thành cấu trúc tương tự như than chì. Bên trong các phân tử có các nhóm hóa học gọi là quinone, nguồn dự trữ điện tử và các amin, giúp vật liệu tạo thành liên kết hydro mạnh. Các liên kết hydro làm cho vật liệu có tính ổn định cao và rất khó hòa tan. Nhờ vậy, vật liệu không bị hòa tan vào chất điện phân của pin như một số vật liệu pin hữu cơ khác, từ đó kéo dài tuổi thọ của pin.

Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu mới có độ dẫn điện và khả năng lưu trữ năng lượng tương đương pin lithium-ion truyền thống có chứa coban. Ngoài ra, pin có cực âm TAQ được sạc và xả sạc nhanh hơn pin hiện có, làm tăng tốc độ sạc xe điện.

Để ổn định vật liệu hữu cơ và tăng khả năng bám dính vào bộ thu dòng điện bằng đồng hoặc nhôm của pin, các nhà nghiên cứu đã bổ sung các vật liệu độn như xenlulo và cao su. Các chất độn chỉ chiếm gần 1/10 vật liệu cực âm nên không làm giảm đáng kể dung lượng lưu trữ của pin. Ngoài ra, chúng còn kéo dài tuổi thọ của cực âm bằng cách ngăn không cho nó bị nứt khi các ion lithium đi vào vào cực âm khi sạc pin.

Nguyên liệu chính để sản xuất loại cực âm này là tiền chất của quinone và amin sẵn có trên thị trường và được sản xuất với số lượng lớn dưới dạng hóa chất thông dụng. Theo ước tính của các nhà nghiên cứu, chi phí vật liệu để lắp ráp loại pin hữu cơ mới chiếm khoảng 1/3 đến 1/2 chi phí của pin coban.

Nhóm nghiên cứu đã xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ và dự kiến sẽ phát triển các vật liệu pin thay thế, bên cạnh việc khám phá khả năng thay thế lithium bằng natri hoặc magie là vật liệu giá rẻ và dồi dào hơn lithium.

Nguồn: NASATI