Từ smartphone đến xe điện, pin lithium-ion đã trở thành “trái tim” của công nghệ. Tuy nhiên, chúng vẫn tồn tại nhiều thách thức: chi phí sản xuất cao và nguy cơ cháy nổ. Pin thể rắn được kỳ vọng là giải pháp an toàn hơn, nhưng việc cân bằng giữa hiệu suất, độ an toàn và giá thành rẻ vẫn là bài toán khó. Mới đây, một nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc đã chứng minh rằng chỉ cần thay đổi thiết kế cấu trúc, hiệu suất pin thể rắn có thể cải thiện đáng kể mà không cần dùng đến kim loại đắt đỏ.

Vừa qua, KAIST công bố công trình của nhóm nghiên cứu do Giáo sư Dong-Hwa Seo (Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu) dẫn dắt, phối hợp cùng các giáo sư Sung-Kyun Jung (Đại học Quốc gia Seoul), Youn-Suk Jung (Đại học Yonsei) và Kyung-Wan Nam (Đại học Dongguk). Chiến lược mới này sử dụng nguyên liệu giá rẻ nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao và giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.

Pin truyền thống dùng chất điện giải lỏng để ion lithium di chuyển giữa các điện cực. Pin thể rắn thay thế bằng chất điện giải rắn, giúp an toàn hơn nhưng lại khiến ion khó di chuyển. Trước đây, để tăng tốc độ di chuyển ion, các nhà nghiên cứu thường phải dùng kim loại đắt tiền hoặc quy trình phức tạp.

Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện cách ion lithium di chuyển trong chất điện giải rắn. Họ sử dụng các anion hóa trị hai như oxy và lưu huỳnh để điều chỉnh cấu trúc tinh thể. Khi được đưa vào khung cơ bản của chất điện giải, những nguyên tố này giúp mở rộng đường đi và giảm năng lượng cần thiết cho ion di chuyển.

Công nghệ này được áp dụng trên chất điện giải halide nền zirconium (Zr) – vốn rẻ tiền. Nguyên lý mới, gọi là “Cơ chế điều chỉnh khung” (Framework Regulation Mechanism), cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc bên trong, giúp ion lithium di chuyển nhanh và dễ dàng hơn.

Để chứng minh hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều công cụ hiện đại:

• Nhiễu xạ tia X năng lượng cao (Synchrotron XRD)
• Phân tích hàm phân bố cặp (PDF)
• Quang phổ hấp thụ tia X (XAS)
• Mô phỏng lý thuyết hàm mật độ (DFT)

Các kết quả cho thấy cấu trúc tinh thể thực sự thay đổi, từ đó cải thiện rõ rệt khả năng vận chuyển ion lithium.

Thử nghiệm cho thấy chất điện giải có chứa oxy hoặc lưu huỳnh giúp ion lithium di chuyển nhanh hơn gấp 2–4 lần so với chất điện giải zirconium truyền thống. Ở nhiệt độ phòng, mẫu điện giải pha oxy đạt độ dẫn ion khoảng 1,78 mS/cm, trong khi mẫu pha lưu huỳnh đạt 1,01 mS/cm – đều vượt ngưỡng 1 mS/cm, mức được coi là đủ cho ứng dụng thực tế.

Giáo sư Dong-Hwa Seo nhấn mạnh: “Nghiên cứu này đưa ra nguyên lý thiết kế có thể đồng thời cải thiện chi phí và hiệu suất của pin thể rắn bằng nguyên liệu rẻ. Tiềm năng ứng dụng công nghiệp là rất lớn.” Tác giả chính Jae-Seung Kim bổ sung rằng công trình này đánh dấu sự chuyển hướng từ việc “chọn vật liệu nào” sang “thiết kế vật liệu ra sao” trong phát triển pin thế hệ mới.