Đột phá pin ion canxi có thể thách thức lithium trong lưu trữ năng lượng sạch
Một bước tiến mới trong công nghệ pin ion canxi (Calcium-ion battery – CIB) có thể tạo ra thách thức đáng kể đối với pin lithium-ion và mở ra hướng đi mới cho lưu trữ năng lượng sạch. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong (HKUST) đã công bố thành tựu quan trọng khi tích hợp chất điện phân bán rắn (quasi-solid-state electrolytes – QSSEs) vào thiết kế pin ion canxi thế hệ mới, giúp cải thiện hiệu suất và tính bền vững môi trường.
Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Advanced Science với bài báo mang tên “High-Performance Quasi-Solid-State Calcium-Ion Batteries from Redox-Active Covalent Organic Framework Electrolytes”.
Nhu cầu tìm giải pháp thay thế lithium
Trong bối cảnh đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo tăng mạnh, nhu cầu về các loại pin dung lượng cao, ổn định ngày càng lớn. Hiện nay, pin lithium-ion (LIBs) vẫn chiếm ưu thế trên thị trường. Tuy nhiên, nguồn cung lithium hạn chế cùng những rào cản về mật độ năng lượng đã thúc đẩy giới khoa học tìm kiếm các công nghệ thay thế nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững dài hạn.
Hình minh họa: scitechdaily.com
Pin ion canxi được đánh giá có nhiều lợi thế. Canxi là nguyên tố dồi dào trong tự nhiên và CIBs có cửa sổ điện hóa tương đương với pin lithium-ion. Dù vậy, việc thương mại hóa công nghệ này gặp nhiều trở ngại, đặc biệt là khả năng di chuyển hiệu quả của ion Ca²⁺ trong pin và duy trì độ ổn định qua nhiều chu kỳ sạc-xả. Những hạn chế này khiến CIBs chưa thể cạnh tranh trực tiếp với hệ thống lithium-ion thương mại.
Ứng dụng khung hữu cơ cộng hóa trị hoạt tính oxi hóa-khử
Để vượt qua rào cản kỹ thuật, nhóm do Giáo sư Yoonseob Kim (Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học, HKUST) dẫn dắt đã phát triển các khung hữu cơ cộng hóa trị hoạt tính oxi hóa-khử (redox covalent organic frameworks – COFs) làm chất điện phân bán rắn. Các QSSEs giàu nhóm carbonyl này đạt độ dẫn ion 0,46 mS/cm và khả năng vận chuyển Ca²⁺ vượt 0,53 ở nhiệt độ phòng.
Thông qua kết hợp thí nghiệm và mô phỏng tính toán, nhóm nghiên cứu xác định rằng ion Ca²⁺ di chuyển nhanh dọc theo các nhóm carbonyl được sắp xếp thẳng hàng trong các lỗ xốp có cấu trúc trật tự của COFs. Con đường vận chuyển có tổ chức này giúp tăng tốc độ di chuyển ion và cải thiện độ ổn định của pin.
Hiệu suất cao sau 1.000 chu kỳ
Từ nền tảng trên, nhóm đã chế tạo một tế bào pin ion canxi hoàn chỉnh đạt dung lượng riêng thuận nghịch 155,9 mAh/g ở mật độ dòng 0,15 A/g. Ngay cả ở mức 1 A/g, pin vẫn duy trì hơn 74,6% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc-xả.
Theo Giáo sư Kim, nghiên cứu cho thấy tiềm năng mang tính đột phá của pin ion canxi như một giải pháp thay thế bền vững cho công nghệ lithium-ion. Việc tận dụng đặc tính độc đáo của các khung hữu cơ cộng hóa trị hoạt tính oxi hóa-khử được xem là bước tiến quan trọng hướng tới các hệ lưu trữ năng lượng hiệu suất cao, đáp ứng nhu cầu của một tương lai xanh hơn.
https://scitechdaily.com/