Các nhà nghiên cứu tại Cornell đã tạo ra một tinh thể xốp (porous crystal) đột phá bằng cách kết hợp cấu trúc vòng lớn và lồng phân tử, giúp tăng cường khả năng vận chuyển ion lithium trong pin thể rắn. Thiết kế tinh thể mới này có các kênh nano một chiều, cải thiện đáng kể độ dẫn ion, hứa hẹn mang lại pin an toàn hơn và có tiềm năng ứng dụng trong lọc nước và điện tử sinh học, và đặc biệt có thể đặt dấu chấm hết cho hiện tượng pin phát nổ.
Bằng cách kết hợp hai cấu trúc phân tử phức tạp, các nhà nghiên cứu tại Cornell đã phát triển một tinh thể xốp có khả năng hấp thụ chất điện phân ion lithium và vận chuyển chúng trơn tru qua các kênh nano một chiều (one-dimensional nanochannels).
Kết quả của nhóm nghiên cứu mới được trình bày trong bài báo “Tổ hợp siêu phân tử của phân tử kết hợp vòng lớn-lồng phân tử để vận chuyển ion lithium nhanh”, được công bố gần đây trên Tạp chí Hội Hóa học Hoa Kỳ.
Dự án được dẫn dắt bởi Yu Zhong, trợ lý giáo sư về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Cornell Engineering và là tác giả chính của bài báo. Phòng thí nghiệm của ông chuyên về tổng hợp các vật liệu “mềm” và ở cấp độ nano nhằm phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng.
Thiết kế pin lithium-ion an toàn hơn
Đứng đầu trong danh sách các chủ đề tiềm năng của Zhong là tìm cách làm cho pin lithium-ion an toàn hơn. Trong các pin lithium-ion thông thường, các ion được vận chuyển qua chất điện phân lỏng. Nhưng chất điện phân lỏng có thể tạo ra các nhánh dendrite giữa cực âm và cực dương của pin, dẫn đến đoản mạch (short out the battery) hoặc, trong một số trường hợp hiếm hoi, phát nổ.
Pin thể rắn thường an toàn hơn nhưng cũng có những thách thức riêng. Trong những pin này, ion di chuyển chậm hơn qua các vật liệu rắn do sức cản tăng lên. Để khắc phục điều này, Zhong đã tìm cách tạo ra một loại tinh thể xốp mới có thể hỗ trợ sự di chuyển của ion theo một lộ trình được xác định. Lộ trình này cần cho phép ion di chuyển mượt mà và tương tác tối thiểu với cấu trúc tinh thể, ngăn chặn ion bám dính. Ngoài ra, tinh thể cần chứa một nồng độ ion cao để duy trì độ dẫn điện hiệu quả (efficient conductivity).
Các nhà nghiên cứu đã hợp nhất hai cấu trúc phân tử kỳ lạ có hình dạng bổ sung: vòng lớn và lồng phân tử. Vòng lớn là những phân tử có vòng gồm 12 nguyên tử hoặc nhiều hơn, trong khi lồng phân tử là các hợp chất đa vòng (multi-ringed compounds).
Cả vòng lớn và lồng phân tử đều có lỗ rỗng tự nhiên (intrinsic pores) nơi ion có thể đi qua. Bằng cách sử dụng chúng làm khối xây dựng cho tinh thể xốp, tinh thể sẽ có không gian lớn để lưu trữ ion và các kênh liên kết cho việc vận chuyển ion.
Đạt được độ dẫn ion cao kỷ lục
Yuzhe Wang, một trong những tác giả chính, đã kết hợp các thành phần lại, với một lồng phân tử ở trung tâm và ba vòng lớn gắn vào, như cánh hoặc cánh tay. Những phân tử vòng lớn-lồng phân tử này tự lắp ráp thành các tinh thể ba chiều phức tạp hơn, với các kênh một chiều lý tưởng cho việc vận chuyển ion nhờ tính chất xốp ở mức nano (nanoporous).
“Độ dẫn đó là kỷ lục cao nhất cho các chất điện phân dẫn ion lithium thể rắn dựa trên phân tử này,” Zhong nói.
Ngoài việc làm cho pin lithium-ion an toàn hơn, vật liệu này cũng có thể được sử dụng để tách ion và phân tử trong lọc nước và tạo ra các cấu trúc dẫn điện hỗn hợp cho các cảm biến và mạch điện tử sinh học.
“Phân tử vòng lớn-lồng phân tử này chắc chắn là một điều mới mẻ trong cộng đồng,” Zhong nói. Nhóm của ông hiện đang nghiên cứu các cách tổng hợp các phân tử khác nhau để mở rộng khả năng tạo ra các vật liệu xốp nano mới.
Một đột phá tại Cornell liên quan đến thiết kế tinh thể mới có thể là chìa khóa để ngăn chặn các vụ nổ pin. Thiết kế mới này cho phép các ion lithium di chuyển tự do và an toàn, hứa hẹn một tương lai với pin vừa hiệu quả hơn vừa an toàn hơn. Ảnh: SciTechDaily.com
