AI “mách nước” tạo ra pin kẽm-ion gần như “bất tử”: Sạc xả 1400 lần, hiệu suất 99,8%.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) Singapore, dẫn đầu bởi Tiến sĩ Edison Huixiang Ang, đã sử dụng trí tuệ nhân tạo để phát triển một loại vật liệu mới giúp pin kẽm-ion đạt hiệu suất 99,8%, vận hành bền bỉ hơn 4.300 giờ và vượt qua rào cản lớn nhất về sự hình thành nhánh tinh thể kim loại (dendrite).

Bước tiến vượt bậc cho công nghệ pin Kẽm-ion

Trong khi pin lithium-ion vẫn đang chiếm lĩnh thị trường lưu trữ năng lượng, một nhóm nghiên cứu tại Singapore vừa công bố một bước tiến mang tính cách mạng: phát triển thành công pin kẽm-ion (zinc-ion) có hiệu suất hoạt động lên tới 99,8%. Điều đáng kinh ngạc hơn là loại pin này có thể vận hành bền bỉ trong hơn 4.300 giờ và trải qua 1.400 chu kỳ sạc xả mà gần như không bị suy giảm đáng kể về tuổi thọ (chỉ giảm 0.2%).

Nghiên cứu này được dẫn đầu bởi Tiến sĩ Edison Huixiang Ang, hiện là trợ lý giáo sư tại Viện Giáo dục Quốc gia thuộc Đại học Công nghệ Nanyang (NIE/NTU), Singapore. Ông và các cộng sự đã ứng dụng thành công trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning) để giải quyết một trong những vấn đề nan giải và cố hữu nhất của công nghệ pin kẽm-ion: hiện tượng hình thành các nhánh tinh thể kim loại (dendrite). Sự hình thành dendrite trong quá trình sạc và xả có thể gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin, làm giảm hiệu suất và rút ngắn đáng kể tuổi thọ của pin.

AI "mở đường" cho vật liệu pin đột phá

Thay vì phải mất nhiều năm trời với các phương pháp thử nghiệm và sai lỗi (trial-and-error) truyền thống trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Ang đã sử dụng sức mạnh của AI. Hệ thống AI đã phân tích hơn 168.000 tổ hợp vật liệu khác nhau nhằm tìm ra giải pháp tối ưu nhất để ngăn chặn sự hình thành dendrite.

Kết quả của quá trình phân tích và sàng lọc bằng AI là việc phát hiện ra một lớp vật liệu mới thuộc dạng khung cơ – kim (Metal-Organic Framework – MOF). Lớp vật liệu MOF này có cấu tạo từ hai kim loại là cerium (Ce) và sắt (Fe), và nó đã chứng minh được khả năng vượt trội trong việc ngăn chặn sự hình thành các nhánh tinh thể kẽm trong quá trình sạc pin.

Lớp MOF mới này không chỉ giúp cải thiện đáng kể tính ổn định và độ an toàn của pin kẽm-ion mà còn kéo dài tuổi thọ của sản phẩm lên một tầm cao mới. Theo kết quả thử nghiệm được công bố, thiết kế pin mới sử dụng lớp MOF này đã giúp pin duy trì hiệu suất hoạt động gần như tối đa (99,8%) sau hơn 1.400 chu kỳ sử dụng – một con số ấn tượng, vượt xa so với nhiều công nghệ pin sạc hiện có trên thị trường. "Trong bối cảnh năng lượng tái tạo ngày càng phổ biến, nhu cầu về các hệ thống lưu trữ năng lượng bền vững và đáng tin cậy trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết," Tiến sĩ Ang chia sẻ. "Chúng tôi muốn tạo ra những viên pin có thể sạc lâu hơn, nhanh hơn và thân thiện với môi trường hơn, góp phần đưa các giải pháp năng lượng sạch đến gần hơn với đời sống hàng ngày."

Ý nghĩa vượt ra ngoài pin Kẽm-ion

Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng công trình khoa học này không chỉ mang lại giá trị to lớn cho sự phát triển của pin kẽm-ion mà còn mở ra những triển vọng hứa hẹn hơn cho lĩnh vực lưu trữ năng lượng nói chung. Những đột phá này có thể được ứng dụng rộng rãi, từ các thiết bị điện tử tiêu dùng hàng ngày, xe điện cho đến các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn phục vụ cho lưới điện.

Theo Tiến sĩ Ang, chính việc tích hợp AI vào quá trình nghiên cứu vật liệu truyền thống là yếu tố then chốt làm nên sự khác biệt và thành công của dự án. AI đã giúp các nhà khoa học mô phỏng và dự đoán hành vi của các loại vật liệu với tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với các phương pháp thử nghiệm thủ công. Đồng thời, AI còn có khả năng phát hiện ra các tổ hợp vật liệu tiềm năng mà trước đây có thể đã bị bỏ qua do độ phức tạp quá cao trong việc phân tích và đánh giá.

"AI không chỉ là một công cụ, mà là chìa khóa mở ra những khả năng tưởng như không giới hạn," ông nói thêm. "Nó cho phép chúng tôi đổi mới nhanh chóng và tạo ra các giải pháp có thể thay đổi thế giới."

Tiềm năng ứng dụng cho xe điện và thiết bị di động Dù nghiên cứu hiện tại vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm và chưa được áp dụng trực tiếp lên các sản phẩm thương mại, những kết quả ấn tượng đạt được đã mở ra một triển vọng vô cùng lớn cho việc sử dụng pin kẽm-ion trong các thiết bị đòi hỏi mật độ năng lượng cao như điện thoại thông minh (smartphone) và xe điện (EV). Với khả năng duy trì hiệu suất 99,8% qua hơn 1.400 chu kỳ sạc xả và thời gian vận hành lên đến 4.300 giờ, công nghệ pin kẽm-ion mới này hứa hẹn sẽ giúp điện thoại thông minh hoạt động lâu hơn, ít bị chai pin hơn sau thời gian dài sử dụng. Quan trọng hơn, pin kẽm-ion có cấu trúc hóa học được đánh giá là an toàn hơn, ít có nguy cơ cháy nổ hơn so với pin lithium-ion hiện tại. Trong lĩnh vực xe điện, nếu các rào cản hiện tại như mật độ năng lượng (khả năng lưu trữ năng lượng trên một đơn vị trọng lượng hoặc thể tích) và dòng xả cao (khả năng cung cấp năng lượng lớn tức thời) tiếp tục được các nhà khoa học khắc phục và cải thiện, pin kẽm-ion hoàn toàn có thể trở thành một lựa chọn thay thế bền vững hơn cho pin lithium-ion. Việc sử dụng pin kẽm-ion không chỉ có tiềm năng giảm chi phí sản xuất xe điện (do kẽm là vật liệu phổ biến và rẻ hơn lithium) mà còn thân thiện với môi trường hơn trong cả quá trình khai thác lẫn tái chế. Khi đó, người dùng sẽ được hưởng lợi từ những chiếc xe điện an toàn hơn, có pin bền bỉ hơn và tổng chi phí sử dụng thấp hơn trong suốt vòng đời sản phẩm.

Sự đột phá này của các nhà khoa học Singapore một lần nữa cho thấy vai trò ngày càng tăng của AI trong việc thúc đẩy các giới hạn của khoa học vật liệu và mở ra những giải pháp năng lượng sạch, bền vững cho tương lai.