Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern đã phát hiện ra một phương pháp mới để ổn định hiệu suất của pin dung lượng cao kỷ lục. Dựa trên catốt oxit mangan lithium, cải tiến này có thể tăng gấp ba lần sức mạnh của điện thoại thông minh và xe điện.
"Điện cực pin này đã đạt đến công suất của một trong những điện cực dựa trên oxit kim loại chuyển tiếp cao nhất từng được ghi nhận. Nó có công suất gấp đôi điện thoại di động hoặc máy tính hiện tại của bạn."
Christopher Wolverton, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Trường Kỹ thuật McCormick của Đại học Northwestern, cho biết. 
"Dung lượng cao của điện cực này cho thấy một bước tiến lớn trong mục tiêu của nó đối với pin lithium-ion trong xe điện," Christopher nói thêm.
Nghiên cứu được báo cáo trực tuyến ngày 18 tháng 5 trên tạp chí Science Advances.
Pin lithium-ion hoạt động bằng cách di chuyển các ion lithium qua lại giữa các điện cực dương và âm. Điện cực dương được làm từ hợp chất chứa các ion lithium, kim loại chuyển tiếp và oxy. Các kim loại chuyển tiếp, thường là coban, lưu trữ và giải phóng năng lượng điện một cách hiệu quả khi các ion lithium di chuyển qua lại giữa các điện cực dương và âm. Do đó, khả năng catốt bị giới hạn bởi số lượng electron trong kim loại chuyển tiếp tham gia phản ứng.
Một nhóm nghiên cứu của Pháp lần đầu tiên xác định các tính chất của oxit mangan lithium dung lượng cao vào năm 2016. Bằng cách thay thế coban truyền thống bằng mangan chi phí thấp hơn, các nhà nghiên cứu đã phát triển một điện cực rẻ hơn với công suất gấp đôi trước đó. Nhưng nó cũng không hoàn hảo. Các nhà khoa học không nghĩ rằng nó có thể được áp dụng trên thị trường vì hiệu suất của pin giảm đi rất nhiều trong hai chu kỳ đầu tiên. Đồng thời, họ không hiểu đầy đủ về gốc rễ hóa học của sự xuống cấp của pin và dung lượng cao của nó.
Sau khi vẽ một bức tranh toàn cảnh về điện cực dương nơi các nguyên tử được kết nối với nhau, nhóm của Wolverton đã phát hiện ra lý do đằng sau hiệu suất cao của vật liệu: Nó đưa oxy đến quá trình phản ứng. Bằng cách sử dụng oxy và kim loại chuyển tiếp để lưu trữ và giải phóng năng lượng điện, pin có khả năng lưu trữ và sử dụng nhiều lithium hơn.
Sau đó, nhóm Northwestern chuyển trọng tâm R&D của họ sang cách ổn định hiệu suất của pin và ngăn chặn quá trình phân rã nhanh chóng của pin.
"Được hỗ trợ bởi lý thuyết về quá trình sạc, chúng tôi đã sử dụng máy tính tốc độ cao để tìm kiếm kỹ lưỡng bảng tuần hoàn nhằm tìm cách hợp kim hóa hợp chất này có chứa các nguyên tố khác để nâng cao hiệu suất của pin."
Zhenpeng Yao, cựu sinh viên tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Wolverton và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết.
Các tính toán đã xác định được hai nguyên tố có khả năng hữu ích: vanadi và crom. Nhóm nghiên cứu dự đoán rằng việc trộn oxit mangan liti với một trong những chất này sẽ tạo ra một hợp chất ổn định giúp duy trì hiệu suất cao chưa từng có của cực âm. Các hợp chất lý thuyết này sau đó sẽ được Wolverton và các cộng sự của ông kiểm tra thực nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Trung tâm Khoa học Năng lượng Điện hóa, một phần của Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng do Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ, trong Chương trình Khoa học Năng lượng Cơ bản (Mã chương trình: DE-AC02-06CH11357). Yao, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Harvard và Soo Kim, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại MIT, cả hai đều là cựu thành viên của phòng thí nghiệm Wolverton, là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.