Bước đột phá về pin nhiệt của Trung Quốc giải quyết hiện tượng “shuttle” với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử

Kỷ nguyên mới cho công nghệ lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ cao

Các nhà khoa học Trung Quốc đã đạt được bước tiến đáng kể trong công nghệ pin nhiệt, có thể kéo dài tuổi thọ hoạt động và nâng cao hiệu suất của các hệ thống điện được thiết kế cho môi trường khắc nghiệt. Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật Quy trình, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã phát triển một vật liệu cực âm mới có khả năng ức chế hiệu quả “hiệu ứng shuttle” dai dẳng, một quá trình suy giảm hóa học đã hạn chế hiệu suất pin nhiệt trong nhiều thập kỷ. Công trình được công bố trên tạp chí Advanced Science ngày 4 tháng 1 năm 2026, cho thấy các chỉ số mật độ năng lượng cao kỷ lục, đồng thời giải quyết một trong những thách thức kỹ thuật nan giải nhất của lĩnh vực này.

Nghiên cứu do Giáo sư Wang Song và Zhu Yongping dẫn dắt, tập trung vào các cực âm fluoride kim loại chuyển tiếp, cụ thể là cobalt difluoride (CoF2), được bao bọc trong một lớp vỏ carbon đặc biệt có nguồn gốc từ khung hữu cơ cộng hóa trị (COF). Cấu trúc “bánh pudding mận@vỏ” mới này tạo ra các kênh ion có tính chọn lọc, cho phép lithium ion cần thiết di chuyển qua nhưng chặn các phức phân tử lớn hơn gây suy giảm dung lượng. Cực âm pin thu được đạt điện áp plateau phóng điện vượt 2.5 volt ở 500 độ C, với năng lượng riêng 882 watt-giờ mỗi kilogram. Đây là những giá trị cao nhất từng được báo cáo ở các cực âm pin nhiệt điện áp cao, có thể mở ra những ứng dụng mới cho công nghệ nguồn điện chuyên biệt này ngoài các lĩnh vực quân sự và hàng không vũ trụ truyền thống.

Tìm hiểu về pin nhiệt và những thách thức đặc thù

Pin nhiệt là một loại pin điện hóa riêng biệt, được thiết kế để hoạt động trong những điều kiện có thể phá hủy các hệ thống lithium-ion thông thường. Khác với pin tiêu chuẩn hoạt động ở nhiệt độ phòng, pin nhiệt sử dụng chất điện phân muối nóng chảy, chỉ dẫn ion khi được nung nóng đến 350-550 độ C. Yêu cầu nhiệt độ cực cao khiến chúng không phù hợp với thiết bị điện tử tiêu dùng hay xe điện thông thường, nhưng lại vô cùng hữu ích trong những ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy tuyệt đối dưới tác động của nhiệt.

Các ứng dụng hiện nay của pin nhiệt bao gồm thiết bị quân sự như tên lửa và đạn dẫn đường, hệ thống hàng không vũ trụ như tàu vũ trụ và bộ nguồn khẩn cấp trên máy bay, thiết bị khoan giếng sâu và một số quy trình công nghiệp. Những thiết bị này có thể nằm bất hoạt trong nhiều năm mà không suy giảm, rồi kích hoạt tức thì khi được nung đến nhiệt độ vận hành, cung cấp những đợt năng lượng công suất cao trong môi trường từ chân không vũ trụ đến độ sâu chịu áp lực nghiền nát của các lỗ khoan. Về cơ bản, pin nhiệt là nguồn điện dùng một lần, ưu tiên độ tin cậy tuyệt đối hơn khả năng sạc lại, khiến chúng trở thành thiết bị thiết yếu cho các hệ thống trọng yếu mà không được phép xảy ra sự cố.

Tuy nhiên, môi trường muối nóng chảy ở nhiệt độ cao tạo ra những thách thức hóa học riêng. Các vật liệu cực âm truyền thống trong pin nhiệt bị hòa tan và dịch chuyển trong chất điện phân khi hoạt động. Các hạt vật liệu hoạt tính về cơ bản trôi khỏi vị trí dự kiến, làm giảm dung lượng sử dụng được và gây ra những phản ứng phụ không mong muốn làm suy giảm hiệu suất. Hiện tượng này, được gọi là hiệu ứng shuttle, gây thất thoát vật liệu hoạt tính và tổn hại cấu trúc lâu dài, vốn hạn chế mật độ năng lượng và tuổi thọ hoạt động của pin nhiệt. Cho đến nay, các kỹ sư vẫn chật vật tìm cách ngăn sự hòa tan này mà vẫn duy trì độ dẫn ion cần thiết cho hoạt động của pin.

Hiệu ứng shuttle: vấn đề dịch chuyển phân tử

Để hiểu tầm quan trọng của đột phá từ Trung Quốc, cần nắm rõ cơ chế hóa học cụ thể gây ra hiệu ứng shuttle ở các cực âm fluoride kim loại chuyển tiếp. Trong quá trình pin hoạt động, CoF2 trao đổi anion với lithium chloride (LiCl) trong chất điện phân, tạo thành các phức cobalt tetrachloride (CoCl4 2-). Những phức này chủ yếu gây ra sự dịch chuyển vật liệu hoạt tính làm suy giảm hiệu suất pin. Giống như những viên gạch trôi khỏi công trường, các phức đã hòa tan di chuyển qua chất điện phân, dẫn đến mất dung lượng không thể phục hồi và giảm hiệu suất sạc theo thời gian.

Những nỗ lực trước đây nhằm xử lý vấn đề này bao gồm bổ sung các loại điện cực lưu huỳnh khác nhau hoặc tạo nhiều dạng rào chắn trong cấu trúc pin. Dù một số phương pháp đạt được thành công nhất định trong việc hạn chế hòa tan, chưa phương pháp nào đưa ra được giải pháp toàn diện vừa duy trì hiệu suất cao vừa đảm bảo ổn định lâu dài. Thách thức nằm ở việc tạo ra một rào chắn có tính thấm chọn lọc: phải chặn các phức CoCl4 2- lớn hơn, đồng thời cho phép các ion Li+ nhỏ hơn di chuyển tự do giữa các điện cực. Các rào chắn rắn truyền thống hoặc chặn mọi thứ, khiến pin ngừng hoạt động, hoặc có lỗ quá lớn nên không ngăn được hiệu ứng shuttle.

Nhóm nghiên cứu nhận ra rằng để giải quyết vấn đề này cần kiểm soát chính xác ở cấp độ nanomet. Sự chênh lệch kích thước giữa ion lithium có ích và các phức cobalt có hại mở ra khả năng chặn lọc, nhưng việc chế tạo vật liệu có kích thước lỗ đồng đều đủ mức để khai thác chênh lệch này vẫn là điều khó khăn. Giải pháp đến từ một nhóm vật liệu ít ai ngờ tới: khung hữu cơ cộng hóa trị, những vật liệu tinh thể xốp có cấu trúc xác định rõ, có thể được thiết kế với độ chính xác dưới một nanomet.

Giải pháp vỏ COF: kỹ thuật chính xác ở cấp độ nguyên tử

Bước đột phá tập trung vào việc tạo một lớp vỏ đặc biệt quanh các hạt CoF2 bằng vật liệu carbon có nguồn gốc từ COF. Khung hữu cơ cộng hóa trị là vật liệu tinh thể xốp có cấu trúc trật tự cao và kích thước lỗ đồng đều. Bằng cách chuyển tiền chất COF thành lớp phủ giàu carbon thông qua quy trình xử lý nhiệt có kiểm soát, các nhà nghiên cứu tạo được lớp vỏ với những kênh dưới một nanomet đồng đều, chỉ rộng 0.54 nanomet. Kích thước này có ý nghĩa quyết định: đủ nhỏ để chặn các phức CoCl4 2- lớn hơn, nhưng đủ rộng để Li+ di chuyển nhanh qua.

Cấu trúc thu được giống như bánh pudding mận, trong đó các hạt CoF2 hoạt tính được bao bọc trong lớp vỏ carbon xốp. Cấu hình này tạo ra cơ chế mà các nhà nghiên cứu gọi là “giam giữ bằng sàng lọc kích thước”. Phân tích nhiệt động lực học và kiểm chứng thực nghiệm xác nhận các kênh được thiết kế riêng có thể chặn hiệu quả sự khuếch tán của các phức cobalt gây vấn đề, đồng thời cho phép ion lithium đi qua, qua đó ức chế hiệu ứng shuttle mà không ảnh hưởng đến độ dẫn ion.

Những phát hiện của chúng tôi tạo cơ sở cơ chế cho việc thiết kế pin nhiệt thế hệ tiếp theo có mật độ năng lượng cao thông qua kỹ thuật giao diện chính xác.

Giáo sư Wang Song, tác giả liên hệ của nghiên cứu, nhấn mạnh phương pháp này không chỉ mang lại cải tiến nhỏ. Cực âm CoF2@CSC700-24 (trong đó CSC là carbon vỏ có nguồn gốc từ COF, được xử lý ở 700 độ C trong 24 giờ) đạt kết quả thực nghiệm thiết lập chuẩn mực mới cho lĩnh vực. Ở mật độ dòng 100 milliampere mỗi centimet vuông và nhiệt độ 500 độ C, cực âm duy trì điện áp plateau phóng điện trên 2.5 volt, đạt dung lượng riêng 365 milliampere-giờ mỗi gram và mật độ năng lượng riêng 882 watt-giờ mỗi kilogram. Các chỉ số này đánh dấu bước tiến lớn so với công nghệ pin nhiệt hiện có.

Ý nghĩa đối với hàng không vũ trụ, quốc phòng và các lĩnh vực khác

Cải thiện hiệu suất nhờ thiết kế cực âm này có thể mở rộng ứng dụng pin nhiệt vượt ra ngoài các hệ thống quân sự và hàng không vũ trụ dùng một lần truyền thống. Pin nhiệt hiện nay về cơ bản là nguồn điện dùng một lần, được kích hoạt cho những nhiệm vụ cụ thể. Việc ức chế hiệu ứng shuttle cho thấy tiềm năng kéo dài tuổi thọ hoạt động và nâng cao độ tin cậy, có thể mở đường cho các hệ thống pin nhiệt tái sử dụng hoặc những ứng dụng cần cung cấp điện liên tục trong môi trường khắc nghiệt.

Trong ngắn hạn, quân sự vẫn là thị trường chính, bởi pin nhiệt đã được sử dụng làm nguồn điện cho tên lửa dẫn đường, ngư lôi và các hệ thống khẩn cấp trên máy bay chiến đấu. Mật độ năng lượng cao hơn có thể kéo dài thời gian thực hiện nhiệm vụ hoặc giảm trọng lượng pin mà vẫn giữ nguyên công suất đầu ra, những yếu tố thiết yếu trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, nơi mỗi gram đều ảnh hưởng đến tầm hoạt động và khả năng cơ động. Hoạt động khoan giếng sâu, nơi thiết bị phải chịu cả nhiệt độ lẫn áp suất cao ở độ sâu hàng kilomet dưới bề mặt Trái Đất, cũng có thể sớm hưởng lợi từ các pin nhiệt bền chắc hơn.

Về lâu dài, việc giải quyết hiệu ứng shuttle về mặt lý thuyết có thể mở đường cho pin nhiệt dùng trong lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện tại các vùng khí hậu khắc nghiệt, hệ thống điện dự phòng cho cơ sở công nghiệp hoặc các ứng dụng xe điện chuyên biệt ở môi trường Bắc Cực hay sa mạc, nơi pin lithium-ion thông thường gặp khó khăn. Dù pin nhiệt khó có thể được dùng để cấp điện cho điện thoại thông minh tiêu dùng do nhiệt độ hoạt động cao, công nghệ này có thể đóng vai trò trong các hệ thống năng lượng thế hệ tiếp theo cần cung cấp công suất cao tức thời trong điều kiện khắc nghiệt.

Hệ sinh thái nghiên cứu pin toàn diện của Trung Quốc

Bước đột phá về pin nhiệt này diễn ra trong bối cảnh các cơ sở nghiên cứu Trung Quốc đang đẩy mạnh nghiên cứu pin trên nhiều hướng. Những nỗ lực song song tìm kiếm các giải pháp vượt ra ngoài công nghệ lithium-ion truyền thống cho thấy một chiến lược đa dạng hóa đổi mới nhằm giữ vị thế dẫn đầu trong các thị trường lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo.

Trong những tháng gần đây, nhiều tiến bộ đáng kể về pin thể rắn đã được công bố, trong đó có một giao diện tự phục hồi do các nhà nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát triển, giúp loại bỏ nhu cầu duy trì áp suất bên ngoài cao để giữ các lớp pin tiếp xúc với nhau. Công nghệ này sử dụng các ion iodide di chuyển để hình thành các lớp giao diện thích ứng, có khả năng giúp pin thể rắn đạt mật độ năng lượng trên 500 watt-giờ mỗi kilogram. Trong khi đó, Đại học Thiên Tân đã phát triển pin lithium-kim loại có mật độ năng lượng gấp đôi các bộ pin Tesla hiện nay, còn Đại học Giao thông Thượng Hải ra mắt pin natri-lưu huỳnh không có cực dương, đạt 1.198 watt-giờ mỗi kilogram với chi phí ước tính chỉ 5.03 USD mỗi kilowatt-giờ.

Các hướng nghiên cứu khác bao gồm pin nền graphene hứa hẹn thời gian sạc năm phút và tuổi thọ cao gấp bốn lần pin lithium-ion, cùng các lựa chọn thay thế dùng ion natri với cực dương carbon cứng, có thể sạc nhanh hơn các hệ thống lithium thông thường. Chính phủ Trung Quốc đã hỗ trợ nghiên cứu này thông qua các sáng kiến tài trợ lớn, trong đó có dự án đặc biệt trị giá 6 tỷ nhân dân tệ về phát triển pin thể rắn được khởi động năm 2024 và các đợt đánh giá giữa kỳ do Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin tiến hành.

Cách tiếp cận trên nhiều hướng này phản ánh nhận thức rằng không một loại hóa học pin nào có thể đáp ứng mọi ứng dụng. Pin nhiệt phục vụ một lĩnh vực chuyên biệt trong môi trường khắc nghiệt, hệ thống thể rắn hứa hẹn xe điện an toàn hơn, pin ion natri có thể giúp lưu trữ điện lưới với chi phí thấp, còn pin lithium-kim loại đẩy giới hạn mật độ năng lượng. Bằng cách đồng thời thúc đẩy tiến bộ trên các hướng này, các cơ sở nghiên cứu Trung Quốc đang tạo dựng vị thế để cung cấp những công nghệ pin sẽ chiếm ưu thế trong các thập kỷ tới.

Từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế

Dù kết quả rất hứa hẹn, vẫn còn một số thách thức trước khi công nghệ pin nhiệt này được triển khai rộng rãi. Nghiên cứu chứng minh tính khả thi ở quy mô phòng thí nghiệm, nhưng việc mở rộng sản xuất các lớp vỏ carbon có nguồn gốc từ COF mà vẫn duy trì độ đồng đều chính xác của các kênh 0.54 nanomet sẽ đặt ra trở ngại trong chế tạo. Bản thân pin nhiệt cần được xử lý chuyên biệt do sử dụng chất điện phân muối nóng chảy và hoạt động ở nhiệt độ cao, nên chỉ phù hợp với những ứng dụng mà yêu cầu vận hành đủ để biện minh cho độ phức tạp này.

Độ ổn định qua nhiều chu kỳ trong thời gian dài, dù được cải thiện nhờ ức chế hiệu ứng shuttle, vẫn cần được kiểm chứng thêm. Nghiên cứu hiện tại chứng minh cơ chế này có hiệu quả, nhưng pin nhiệt dùng trong hàng không vũ trụ và quốc phòng thường phải chứng minh độ tin cậy qua hàng nghìn chu kỳ kích hoạt tiềm năng và nhiều năm lưu kho. Các thử nghiệm bổ sung cần xác nhận lớp vỏ COF vẫn giữ được độ bền cấu trúc và tính thấm chọn lọc khi trải qua các chu kỳ nhiệt lặp lại và hoạt động lâu dài ở nhiệt độ cao.

Tính ăn mòn của chất điện phân muối nóng chảy cũng đặt ra thách thức về khả năng tương thích vật liệu đối với vỏ và gioăng làm kín pin. Dù đột phá về cực âm giải quyết một cơ chế suy giảm lớn, các hệ thống pin hoàn chỉnh cần kết hợp cải tiến này với công nghệ quản lý cực dương và chất điện phân bền chắc tương đương. Nhiều khả năng các nhóm nghiên cứu sẽ tập trung tiếp vào việc tối ưu hóa cấu trúc toàn bộ pin quanh thiết kế cực âm mới.

Điểm chính

• Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã giải quyết “hiệu ứng shuttle” trong pin nhiệt bằng cách phát triển lớp vỏ carbon có nguồn gốc từ khung hữu cơ cộng hóa trị (COF), với các kênh dưới một nanomet chặn các phức cobalt có hại nhưng cho phép ion lithium đi qua.
• Cực âm mới đạt các chỉ số hiệu suất kỷ lục: điện áp phóng điện 2.5V, dung lượng 365 mAh/g và mật độ năng lượng 882 Wh/kg ở 500 độ C, cao nhất từng được báo cáo đối với các cực âm pin nhiệt điện áp cao.
• Pin nhiệt hoạt động ở 350-550 độ C bằng chất điện phân muối nóng chảy, khiến chúng trở nên thiết yếu cho các ứng dụng quân sự, hàng không vũ trụ và khoan sâu, nơi pin thông thường không đáp ứng được.
• Bước đột phá có thể mở rộng ứng dụng pin nhiệt vượt ra ngoài thiết bị quân sự dùng một lần, hướng tới các hệ thống có tuổi thọ cao hơn để lưu trữ năng lượng trong môi trường khắc nghiệt.
• Nghiên cứu này là một phần trong chiến lược đổi mới pin rộng lớn hơn của Trung Quốc, bao gồm những tiến bộ song song về pin thể rắn, lithium-kim loại, ion natri và graphene.