Một chiếc xe điện không bao giờ cần sạc lại trong suốt hành trình xuyên quốc gia. Những chiếc máy bay không người lái (drone) có thể bay liên tục nhiều giờ mà không cần hạ cánh. Những kịch bản này đòi hỏi khả năng lưu trữ năng lượng vượt xa những gì pin lithium-ion hiện tại có thể cung cấp—và pin lithium–oxygen (LOB) từ lâu đã hứa hẹn sẽ lấp đầy khoảng trống này. Với mật độ năng lượng lý thuyết cao gấp 10 lần so với công nghệ lithium-ion, LOB có thể tạo ra cuộc cách mạng cho phương tiện giao thông điện. Tuy nhiên, một trở ngại cốt lõi đã ngăn cản việc thương mại hóa chúng: các phản ứng hóa học oxy nổi tiếng là chậm chạp và kém hiệu quả, gây ra tổn thất năng lượng đáng kể trong quá trình sạc và xả.
Chất xúc tác composite giúp cải thiện phản ứng oxy trong pin lithium-oxygen thế hệ mới
Nhằm nỗ lực khắc phục hạn chế này, Giáo sư Takahiro Ishizaki cùng các cộng sự tại Viện Công nghệ Shibaura (SIT), Nhật Bản, đã nghiên cứu liệu việc chế tạo một chất xúc tác composite dị thể có thể vượt qua rào cản lớn nhất của LOB hay không. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác lưỡng tính hiệu suất cao, có khả năng tăng tốc cả phản ứng khử oxy (ORR) lẫn phản ứng giải phóng oxy (OER)—hai phản ứng quyết định hiệu suất của pin. Họ thực hiện điều này bằng cách kết hợp đồng đều oxit perovskite lanthanum cobalt oxide (LaCoO₃) với oxit spinel cobalt oxide (Co₃O₄). Kết quả nghiên cứu của nhóm đã được xuất bản trên tạp chí RSC Advances vào ngày 22 tháng 4 năm 2026.
Giải thích về động lực đằng sau nghiên cứu, Giáo sư Ishizaki cho biết: "Chúng tôi khởi nguồn từ nút thắt động học then chốt đang cản trở việc thực tế hóa pin LOB, cụ thể là các phản ứng hóa học liên quan đến khí oxy vốn nổi tiếng chậm chạp và kém hiệu quả.
Dù các oxit perovskite (LaCoO₃) và spinel (Co₃O₄) riêng lẻ đã được biết đến là có đặc tính xúc tác khá tốt, việc kết hợp chặt chẽ chúng thành một vật liệu composite diện tích bề mặt tiếp xúc được tối ưu hóa riêng cho hệ thống lithium–oxygen lại nhận được rất ít sự chú ý một cách hệ thống. Câu hỏi liệu sự tương tác cộng hưởng của chúng có thể giải phóng hiệu suất vượt trội hơn bất kỳ vật liệu đơn lẻ nào hay không chính là điều chúng tôi muốn tìm lời giải."
Thử nghiệm sự kết hợp oxit
Để kiểm chứng khả năng này, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp LaCoO3, Co3O4, và vật liệu composite kết hợp cả hai bằng phương pháp đồng kết tủa có thể mở rộng quy mô. Sau đó, họ so sánh một cách hệ thống các tính chất cấu trúc và điện hóa của chúng bằng các kỹ thuật phân tích tiên tiến, bao gồm nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử (SEM), quang phổ điện tử tia X (XPS) và phân tích điện hóa.
Nhóm nghiên cứu đã đánh giá hiệu suất của từng vật liệu dưới vai trò là chất xúc tác lưỡng tính bằng cách đo khả năng thúc đẩy phản ứng giải phóng oxy trong quá trình sạc cũng như phản ứng khử oxy trong quá trình xả. Các tương tác điện tử chịu trách nhiệm cho hoạt tính xúc tác cũng được xem xét kỹ lưỡng.
Hiệu suất vượt xa diện tích bề mặt
Trong số tất cả các vật liệu được tổng hợp, chất xúc tác composite cho hiệu suất tổng thể tốt nhất, với khoảng cách thế (potential gap) đặc biệt hẹp chỉ 1,14 V—chỉ số then chốt cho thấy khả năng xúc tác lưỡng tính cực kỳ hiệu quả.
Đáng chú ý, hiệu suất vượt trội này đạt được mặc dù vật liệu composite có diện tích bề mặt điện hóa thấp nhất trong số các vật liệu được thử nghiệm. Kết quả trái với trực giác này tiết lộ rằng: hiệu suất xúc tác không bị quyết định bởi số lượng các vị trí hoạt động trên bề mặt, mà bởi chất lượng của cấu trúc điện tử của chúng—một phát hiện thách thức về mặt bản chất các nguyên lý thiết kế chất xúc tác truyền thống.
Chất xúc tác composite này cũng vượt qua oxit ruthenium thương mại trong phản ứng giải phóng oxy (OER), đồng thời thể hiện hoạt tính khử oxy (ORR) tiệm cận với các chất xúc tác gốc bạch kim (platinum).
Theo Giáo sư Ishizaki: "Ứng dụng chính và trực tiếp nhất của những phát hiện này nằm ở việc phát triển các cực cathode không khí hiệu suất cao cho pin LOB thế hệ mới. Điều này cuối cùng có thể cung cấp năng lượng cho các xe điện đường dài và drone hoạt động bền bỉ thời gian dài—những thiết bị đòi hỏi dung lượng năng lượng vượt xa giới hạn của công nghệ lithium-ion hiện tại. Dù phương tiện di chuyển không trung đô thị vẫn là tham vọng dài hạn, công trình này đại diện cho một bước tiến quan trọng hướng tới việc hiện thực hóa tiềm năng đột phá của pin LOB."
Các nhà nghiên cứu cho rằng hiệu suất xuất sắc này có được là nhờ sự tương tác cộng hưởng giữa hai oxit kim loại, giúp tạo ra vô số lỗ trống oxy (oxygen vacancies) và tối ưu hóa cấu trúc điện tử của vật liệu, từ đó giúp các phản ứng oxy diễn ra trơn tru hơn nhiều.
Ứng dụng rộng rãi hơn cho một chất xúc tác giá rẻ
Ngoài pin LOB, chất xúc tác mới được phát triển còn hứa hẹn lớn cho nhiều công nghệ năng lượng sạch khác. Vì được cấu tạo từ lanthanum và cobalt không phải kim loại quý thay vì các kim loại đắt tiền, nó mang lại một giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí và bền vững cho các thiết bị năng lượng trong tương lai.
Hiệu suất giải phóng oxy tuyệt vời của nó cũng gợi mở khả năng ứng dụng trong việc sản xuất hydro xanh thông qua quá trình điện phân nước, mặc dù cần nghiên cứu thêm theo hướng đó. Hơn nữa, hoạt tính xúc tác lưỡng tính hiệu quả của nó hứa hẹn sẽ mở ra cơ hội cho các loại pin kim loại–không khí quy mô lớn và pin nhiên liệu thuận nghịch để lưu trữ năng lượng tái tạo tạo ra từ nguồn điện mặt trời và gió.
Nhìn chung, nghiên cứu cung cấp một chiến lược để vượt qua một trong những thách thức lâu đời nhất cản trở công nghệ pin thế hệ mới.
"Bằng cách thu hẹp đáng kể khoảng cách thế giữa sạc và xả xuống chỉ còn 1,14 V, chất xúc tác này giải quyết trực tiếp sự kém hiệu quả về động học của các phản ứng oxy—vốn từ lâu đã là rào cản then chốt đối với pin LOB thực tế," Giáo sư Ishizaki chia sẻ. Những tiến bộ như vậy có thể dọn đường cho các hệ thống lưu trữ năng lượng an toàn hơn, tuổi thọ cao hơn và hiệu quả hơn đáng kể.