(ResearchVN) - Sau hơn 5 năm nghiên cứu và thử nghiệm, nhóm chuyên gia tại Viện Khoa học Vật liệu (thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) phối hợp cùng các cộng sự quốc tế đã công bố kết quả thử nghiệm thành công loại vật liệu nano mới làm cực anode cho pin Lithium-ion. Kết quả này mở ra triển vọng sản xuất những thế hệ pin xe điện có mật độ năng lượng cao hơn, thời gian sạc nhanh hơn và tuổi thọ bền bỉ hơn so với các công nghệ hiện hành.

Giải bài toán giãn nở của Silicon

Trong công nghệ pin hiện nay, than chì (graphite) là vật liệu phổ biến nhất để làm cực âm (anode). Tuy nhiên, graphite đã chạm tới giới hạn vật lý về khả năng lưu trữ năng lượng. Silicon từ lâu đã được coi là "người kế nhiệm" tiềm năng nhờ khả năng lưu trữ lithium gấp 10 lần so với than chì. Thế nhưng, rào cản lớn nhất khiến silicon chưa thể ứng dụng rộng rãi là hiện tượng giãn nở thể tích lên tới 300% trong quá trình sạc/xả, gây nứt vỡ cấu trúc và làm hỏng pin nhanh chóng.

Để khắc phục nhược điểm này, nhóm nghiên cứu Việt Nam đã phát triển một cấu trúc nano phức hợp dạng "lồng - nhân". Trong đó, các hạt nano silicon kích thước chỉ vài chục nanomet được bao bọc bởi lớp màng Carbon dẫn điện, sau đó được cố định trong mạng lưới Graphene đa lớp. Cấu trúc này không chỉ tạo không gian cho silicon giãn nở mà còn tăng cường khả năng dẫn điện và bảo vệ vật liệu khỏi sự ăn mòn của chất điện phân.

"Chúng tôi đã thành công trong việc tạo ra một 'giáp bảo vệ' ở cấp độ nguyên tử cho các hạt silicon. Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu này vẫn giữ được 90% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc xả, một con số vượt xa các thử nghiệm silicon thông thường trước đây," PGS.TS Nguyễn Văn Tùng, trưởng nhóm nghiên cứu, chia sẻ với ResearchVN.

Những thông số kỹ thuật ấn tượng

Dựa trên dữ liệu thu thập được từ các mẫu pin thử nghiệm tại trung tâm đo lường, loại vật liệu nano mới này mang lại những cải thiện đột phá về hiệu suất:

• Tăng mật độ năng lượng: Hiệu suất thực tế tăng thêm 40% so với pin sử dụng anode graphite truyền thống. Điều này đồng nghĩa với việc một chiếc xe điện có tầm hoạt động 500km có thể nâng lên thành 700km với cùng một kích thước bộ pin.
• Rút ngắn thời gian sạc: Nhờ tính dẫn điện vượt trội của mạng lưới Graphene, khả năng tiếp nhận dòng điện cường độ cao được cải thiện, giúp rút ngắn thời gian sạc đầy 80% pin xuống chỉ còn dưới 15 phút.
• Giảm trọng lượng: Với khả năng lưu trữ lớn hơn, các nhà sản xuất có thể giảm khối lượng vật liệu sử dụng, giúp trọng lượng tổng thể của xe điện nhẹ hơn từ 15-20%.

Tiến tới tự chủ công nghệ lõi

Sự thành công của dự án không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn mang tính chiến lược về mặt kinh tế. Hiện nay, chuỗi cung ứng vật liệu pin xe điện toàn cầu đang bị phụ thuộc vào một vài quốc gia lớn. Việc Việt Nam làm chủ được công nghệ tổng hợp vật liệu nano hiệu suất cao sẽ giúp giảm giá thành sản xuất pin trong nước, từ đó tăng sức cạnh tranh cho các thương hiệu xe điện nội địa.

Theo các chuyên gia kinh tế năng lượng, chi phí cho bộ pin hiện chiếm khoảng 30-40% giá thành một chiếc xe điện. Nếu ứng dụng thành công vật liệu nano mới vào quy mô công nghiệp, giá xe điện tại thị trường Việt Nam có thể giảm đáng kể trong 3-5 năm tới, thúc đẩy lộ trình chuyển đổi xanh của Chính phủ.

Thách thức trong thương mại hóa

Mặc dù kết quả trong phòng thí nghiệm rất khả quan, nhưng con đường từ nghiên cứu đến sản xuất hàng loạt vẫn còn nhiều thách thức. Vấn đề lớn nhất hiện nay là tối ưu hóa quy trình sản xuất vật liệu nano ở quy mô tấn với chi phí thấp. Quy trình hiện tại đòi hỏi môi trường kiểm soát nghiêm ngặt và hệ thống máy móc phức tạp.

Tiến sĩ Trần Thị Lan, chuyên gia phân tích công nghệ tại Hiệp hội Năng lượng Sạch, nhận định: "Điểm sáng của công trình này là các nhà khoa học đã tận dụng được nguồn nguyên liệu dồi dào tại địa phương để tổng hợp carbon. Tuy nhiên, để thương mại hóa, chúng ta cần sự bắt tay chặt chẽ hơn giữa các tập đoàn công nghiệp và các viện nghiên cứu để xây dựng dây chuyền thử nghiệm (pilot line) trước khi sản xuất đại trà."

Tầm nhìn và Xu hướng

Thế giới đang bước vào cuộc đua khốc liệt về công nghệ pin thế hệ mới. Các cường quốc như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản đang đổ hàng tỷ USD vào pin thể rắn và pin anode silicon. Việc Việt Nam có những bước tiến vững chắc trong nghiên cứu vật liệu nano cho thấy tiềm năng to lớn của trí tuệ Việt trên bản đồ khoa học thế giới.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ hợp tác với một số doanh nghiệp sản xuất pin hàng đầu tại Việt Nam để tích hợp vật liệu nano này vào các mẫu pin túi (pouch cell) tiêu chuẩn dành cho xe máy điện và ô tô điện. Nếu lộ trình này diễn ra đúng kế hoạch, những lô pin đầu tiên ứng dụng công nghệ nano "Made in Vietnam" có thể sẽ xuất hiện trên thị trường vào cuối năm 2026.