Bằng cách kiểm soát thành phần hóa học của polymer gốc muối lithium, nhóm nghiên cứu đã tạo ra vật liệu cho phép ion di chuyển với tốc độ cực nhanh trong pin và các công nghệ lưu trữ, chuyển đổi năng lượng.

Catalin Gainaru, nhà khoa học thuộc Phòng Hóa học ORNL, chia sẻ: “Các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang tập trung khai thác tiềm năng của polymer điện phân vì chúng có nhiều ưu điểm so với điện phân lỏng truyền thống. Thách thức lớn nhất luôn là tốc độ vận chuyển ion, nhưng nghiên cứu mới của chúng tôi cho thấy điều này có thể đã được giải quyết.”

Vì sao pin thể rắn cần polymer điện phân?

Pin gồm hai điện cực – cực dương và cực âm – được ngăn cách bởi lớp điện phân. Khi pin sạc hoặc xả, ion phải có khả năng di chuyển nhanh qua lớp điện phân. Pin truyền thống dùng điện phân lỏng hoặc gel, nhưng nhu cầu về lưu trữ năng lượng an toàn và hiệu quả đã thúc đẩy sự quan tâm đến pin thể rắn. Loại pin này hứa hẹn sạc nhanh hơn, an toàn hơn, nhỏ gọn và bền bỉ hơn.

Nhiều thiết kế pin thể rắn hiện nay sử dụng điện phân gốm siêu ion, vốn cho khả năng dẫn ion cực tốt. Tuy nhiên, gốm lại giòn, khó cán thành màng mỏng và không bám tốt vào điện cực. Nhóm ORNL đã chứng minh rằng polymer có thể đạt trạng thái siêu ion tương tự, cho phép ion di chuyển nhanh gấp 10 tỷ lần so với môi trường xung quanh, mà không gặp nhược điểm của gốm hay chất lỏng.

Bí quyết nằm ở thiết kế phân tử

Polymer là vật liệu gồm các chuỗi phân tử dài từ những đơn vị lặp lại. Trong nghiên cứu này, polymer điện phân chứa các đoạn phân cực giúp muối lithium hòa tan tốt hơn và tăng mạnh khả năng di chuyển của ion.

Điểm đột phá là việc bổ sung nhóm chức đặc biệt gọi là zwitterion – mang cả điện tích dương và âm nhưng tổng thể trung hòa. Bằng cách điều chỉnh số lượng zwitterion gắn vào khung polymer, các nhà khoa học tạo ra “túi ion” – nơi ion tập trung và bắt đầu di chuyển có tổ chức. Khi khoảng 80% đơn vị polymer được gắn zwitterion, các túi này kết nối thành kênh dẫn, cho phép ion “nhảy” qua lại dễ dàng với lực cản tối thiểu.

Tomonori Saito, nhà nghiên cứu cao cấp tại ORNL, cho biết: “Chúng tôi đã phát triển một loại polymer đặc biệt, trong đó các đoạn tự sắp xếp để tạo đường dẫn di chuyển cho ion với độ linh động cao.”

Ứng dụng rộng mở

Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục khai thác cơ chế nền tảng của hiện tượng siêu ion bằng mô phỏng trên siêu máy tính, hóa học tự động kết hợp AI, và thí nghiệm tán xạ neutron tại Nguồn Neutron Spallation. Ngoài pin thể rắn, nhiều công nghệ khác như pin dòng, pin nhiên liệu, lưu trữ năng lượng quy mô lưới… đều có thể hưởng lợi từ loại polymer mới này.

Saito nhấn mạnh: “Khó có thể dự đoán hết các công nghệ sẽ tận dụng phát hiện này. Bất kỳ hệ thống nào cần lớp màng ngăn cách nhưng vẫn cho ion đi qua tự do đều là ứng viên tiềm năng.”