Trong pin lithium-ion thông thường, cực dương được chế tạo từ vật liệu như graphite để lưu trữ lithium trong quá trình sạc. Cấu trúc này chiếm một phần thể tích và khối lượng của pin.

Trong pin kim loại lithium không cực dương, thường gọi là pin anode-free, lithium hình thành trực tiếp trên một lá đồng mỏng khi pin được sạc. Về lý thuyết, cách thiết kế này giúp giảm vật liệu không trực tiếp tham gia lưu trữ năng lượng, qua đó tăng mật độ năng lượng của pin.

Nhưng thiết kế đơn giản hơn lại kéo theo một vấn đề lớn. Khi pin sạc và xả nhiều lần, lithium có thể bám không đồng đều trên bề mặt đồng, tạo thành các cấu trúc nhọn dạng nhánh gọi là dendrite làm giảm hiệu suất, khiến lithium bị tiêu hao không thể đảo ngược và có thể gây nguy cơ chập điện nếu phát triển quá mức.

Một lớp bảo vệ hình thành trên bề mặt điện cực, được gọi là lớp liên pha điện phân rắn (SEI), cũng đóng vai trò quan trọng. Nếu lớp này không ổn định, các phản ứng phụ tiếp tục tiêu hao lithium và chất điện phân, khiến pin nhanh xuống cấp.

Nhóm nghiên cứu do các giáo sư Jinwoo Lee và Hee-Tae Jung thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử của Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) dẫn đầu đã tìm cách giải quyết đồng thời hai vấn đề này mà không cần bổ sung lượng lớn vật liệu làm tăng khối lượng pin.

Thay vì để lithium bám lên một bề mặt đồng phẳng, nhóm tạo ra một mạng lưới ống cực nhỏ trên lá đồng. Mỗi ống có đường kính khoảng 300 nanomet và chiều cao 150 nanomet. Cấu trúc ba chiều này làm tăng diện tích bề mặt có thể tiếp nhận lithium lên khoảng 4 lần so với lá đồng phẳng.

Các nhà khoa học sử dụng một kỹ thuật chế tạo chính xác gọi là secondary sputtering lithography, vốn được phát triển dựa trên những phương pháp tạo cấu trúc trong ngành bán dẫn. Bằng cách tạo ra nhiều vị trí tiếp nhận lithium, bề mặt điện cực giúp kim loại phân bố đồng đều hơn, giảm nguy cơ tích tụ tập trung thành những nhánh nhọn.

Nhóm tiếp tục phủ lên cấu trúc đồng một lớp vật liệu MXene dày khoảng 10 nanomet. MXene là một họ vật liệu hai chiều có tính chất điện và hóa học phù hợp với một số ứng dụng lưu trữ năng lượng.

Trong hệ điện phân được sử dụng ở thí nghiệm, lớp phủ này thúc đẩy sự hình thành một lớp bảo vệ giàu lithium fluoride (LiF) có thể hạn chế phản ứng không mong muốn giữa lithium và chất điện phân, đồng thời giúp bề mặt điện cực ổn định hơn qua các chu kỳ sạc-xả.

Theo nhóm nghiên cứu, thiết kế mới kết hợp hai chức năng: cấu trúc nano ba chiều điều khiển nơi lithium lắng đọng, còn lớp MXene giúp định hướng quá trình hình thành lớp bảo vệ. Điều này cho phép cải thiện độ ổn định mà không cần thay đổi thành phần chính của chất điện phân hoặc bổ sung lượng lithium dư lớn.

Nhóm thử nghiệm pin hoàn chỉnh dạng đồng xu, sử dụng điện cực đồng được phủ MXene và vật liệu cathode NCM811. Sau 125 chu kỳ, pin có cấu trúc mới duy trì dung lượng 78,1 mAh/g, trong khi mẫu đối chứng dùng lá đồng thông thường chỉ còn 44,9 mAh/g.

Hiệu suất Coulomb, tỷ lệ giữa lượng điện tích thu được khi xả và lượng điện tích đưa vào khi sạc đạt 99,06% ở mẫu có cấu trúc mới, so với 95,01% ở mẫu đối chứng. Đây là chỉ số quan trọng vì hiệu suất thấp qua mỗi chu kỳ sẽ làm pin mất dần dung lượng sử dụng.

Các kết quả này cho thấy việc thiết kế bề mặt điện cực ở cấp độ nano có thể cải thiện đáng kể độ ổn định của pin anode-free trong điều kiện thí nghiệm. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.

Nếu được chứng minh ở quy mô lớn, pin anode-free có thể giúp xe điện đi xa hơn với bộ pin nhỏ hơn hoặc giảm khối lượng bộ pin mà vẫn duy trì tầm hoạt động.