Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Tóm tắt:

Các nhà khoa học tại Hàn Quốc đã phát hiện ra một cách giúp pin thể rắn hoàn toàn trở nên an toàn hơn và mạnh mẽ hơn bằng cách sử dụng các vật liệu giá rẻ. Thay vì bổ sung các kim loại đắt tiền, họ đã thiết kế lại cấu trúc bên trong của pin để giúp các ion lithium di chuyển nhanh hơn. Sự điều chỉnh cấu trúc đơn giản này đã nâng cao hiệu suất lên tới bốn lần. Công trình này mở ra triển vọng về các loại pin rẻ hơn, an toàn hơn cho điện thoại, xe điện và nhiều ứng dụng khác.

Pin đóng vai trò then chốt trong đời sống hằng ngày, từ việc cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh đến việc vận hành xe điện. Mặc dù quan trọng như vậy, các loại pin hiện nay vẫn tồn tại những hạn chế lớn, bao gồm chi phí cao và nguy cơ cháy nổ. Pin thể rắn hoàn toàn từ lâu đã được xem là một giải pháp an toàn hơn, nhưng tiến bộ trong lĩnh vực này bị chậm lại do thách thức trong việc cân bằng giữa độ an toàn, hiệu suất và chi phí. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc đã chứng minh rằng hiệu suất pin có thể được cải thiện đáng kể chỉ bằng thiết kế cấu trúc thông minh, mà không cần dựa vào các kim loại đắt tiền.

Ngày 7 tháng 1, KAIST công bố một đột phá do nhóm nghiên cứu do Giáo sư Dong-Hwa Seo thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu dẫn dắt. Dự án quy tụ các nhà nghiên cứu do Giáo sư Sung-Kyun Jung (Đại học Quốc gia Seoul), Giáo sư Youn-Suk Jung (Đại học Yonsei) và Giáo sư Kyung-Wan Nam (Đại học Dongguk) đứng đầu. Nhóm đã cùng nhau phát triển một cách tiếp cận thiết kế mới cho các vật liệu then chốt của pin thể rắn hoàn toàn, sử dụng các nguyên liệu thô giá rẻ nhưng vẫn duy trì hiệu suất cao và giảm nguy cơ cháy nổ.

Vì sao chất điện phân rắn an toàn hơn nhưng khó tối ưu hơn

Pin lithium-ion truyền thống phụ thuộc vào chất điện phân lỏng cho phép các ion lithium di chuyển giữa các điện cực. Pin thể rắn hoàn toàn thay thế chất lỏng này bằng chất điện phân rắn, từ đó cải thiện đáng kể độ an toàn. Tuy nhiên, các ion lithium di chuyển chậm hơn trong môi trường rắn, và những nỗ lực trước đây nhằm tăng tốc độ di chuyển thường phải dựa vào các kim loại đắt tiền hoặc các kỹ thuật chế tạo phức tạp.

Sử dụng hóa học tinh thể để tăng tốc chuyển động của lithium

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện cách các ion lithium di chuyển trong chất điện phân rắn. Chiến lược của họ xoay quanh việc sử dụng các “anion hóa trị hai” như oxy và lưu huỳnh. Những nguyên tố này ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của chất điện phân bằng cách trở thành một phần của khung cấu trúc cơ bản, từ đó có thể thay đổi cách các ion di chuyển bên trong vật liệu.

Nhóm đã áp dụng ý tưởng này cho các chất điện phân rắn halide dựa trên zirconium (Zr) có chi phí thấp. Bằng cách đưa có kiểm soát các anion hóa trị hai vào vật liệu, họ có thể điều chỉnh chính xác cấu trúc bên trong. Cách tiếp cận này, được gọi là “cơ chế điều tiết khung cấu trúc” (Framework Regulation Mechanism), mở rộng các con đường mà ion lithium có thể đi qua và giảm năng lượng cần thiết cho sự di chuyển của chúng. Nhờ đó, các ion lithium có thể di chuyển nhanh hơn và hiệu quả hơn trong vật liệu rắn.

Các công cụ tiên tiến xác nhận sự cải thiện cấu trúc

Để xác nhận rằng các thay đổi cấu trúc này hoạt động đúng như mong đợi, nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp phân tích tiên tiến, bao gồm:

• Nhiễu xạ tia X synchrotron năng lượng cao (Synchrotron XRD)
• Phân tích hàm phân bố cặp (Pair Distribution Function – PDF)
• Phổ hấp thụ tia X (XAS)
• Mô hình hóa Lý thuyết hàm mật độ (DFT) cho cấu trúc điện tử và khuếch tán

Các kỹ thuật này cho phép nhóm xem xét chi tiết cách cấu trúc tinh thể thay đổi và những thay đổi đó ảnh hưởng như thế nào đến chuyển động của ion lithium.

Tăng hiệu suất với vật liệu giá rẻ

Các thử nghiệm cho thấy việc bổ sung oxy hoặc lưu huỳnh vào chất điện phân đã làm tăng độ linh động của ion lithium lên gấp hai đến bốn lần so với các chất điện phân dựa trên zirconium thông thường. Sự cải thiện này cho thấy pin thể rắn có thể đạt mức hiệu suất phù hợp cho các ứng dụng thực tế mà không cần sử dụng vật liệu đắt tiền.

Ở nhiệt độ phòng, chất điện phân pha tạp oxy đạt độ dẫn ion khoảng 1,78 mS/cm, trong khi phiên bản pha tạp lưu huỳnh đạt khoảng 1,01 mS/cm. Độ dẫn ion đo lường mức độ dễ dàng mà các ion lithium di chuyển qua vật liệu, và các giá trị trên 1 mS/cm thường được xem là đủ cho các ứng dụng pin thực tế ở nhiệt độ phòng.

Chuyển hướng đổi mới pin sang thiết kế thông minh hơn

Giáo sư Dong-Hwa Seo giải thích ý nghĩa rộng hơn của công trình: “Thông qua nghiên cứu này, chúng tôi đã đề xuất một nguyên lý thiết kế có thể đồng thời cải thiện chi phí và hiệu suất của pin thể rắn hoàn toàn bằng cách sử dụng các nguyên liệu thô rẻ tiền. Tiềm năng ứng dụng công nghiệp của nó là rất cao.” Tác giả chính Jae-Seung Kim nhấn mạnh rằng nghiên cứu này cho thấy một sự chuyển dịch trong lĩnh vực pin, từ việc chỉ tập trung lựa chọn vật liệu mới sang chú trọng hơn vào thiết kế cấu trúc tốt hơn.

Công bố và hỗ trợ nghiên cứu

Nghiên cứu, do hai đồng tác giả chính Jae-Seung Kim (KAIST) và Da-Seul Han (Đại học Dongguk) dẫn dắt, đã được công bố trên tạp chí quốc tế Nature Communications vào ngày 27 tháng 11 năm 2025.

Nguồn tài trợ cho nghiên cứu đến từ Trung tâm Xúc tiến Công nghệ Tương lai của Samsung Electronics, Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc và Trung tâm Siêu máy tính Quốc gia.

CHỦ ĐỀ LIÊN QUAN

• Vật chất & Năng lượng
  o Điện tử tiêu dùng
  o Kỹ thuật và xây dựng
  o Pin
  o Năng lượng và tài nguyên
  o Điện tử
  o Công nghệ
  o Viễn thông
  o Kỹ thuật xây dựng

THUẬT NGỮ LIÊN QUAN

• Phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế
• Kim loại
• Xe điện chạy pin
• Lithium
• Khoa học vật liệu
• Robot
• Dẫn điện
• Khoa học

Tài liệu tham khảo tạp chí:

1. Jae-Seung Kim, Daseul Han, Jinyeong Choe, Youngkyung Kim, Hae-Yong Kim, Soeul Lee, Jiwon Seo, Seung-Hui Ham, You-Yeob Song, Chang-Dae Lee, Juho Lee, Hiram Kwak, Jinsoo Kim, Yoon-Seok Jung, Sung-Kyun Jung, Kyung-Wan Nam, Dong-Hwa Seo. Divalent anion-driven framework regulation in Zr-based halide solid electrolytes for all-solid-state batteries. Nature Communications, 2025; 16 (1). DOI: 10.1038/s41467-025-65702-2