Pin lithium-ion có thể sạc lại được sử dụng rộng rãi trong máy tính xách tay, điện thoại di động và thậm chí cả xe hơi điện và xe lai nhưng các loại pin này đắt tiền và dễ gây cháy nổ.

Đối với các vật liệu mới không sử dụng lithium có thể giúp làm giảm chi phí và cải thiện sự an toàn của các loại pin này, và có khả năng đẩy nhanh việc chuyển sang dùng các loại xe điện tiết kiệm năng lượng.

Cả ion natri và kali là những ứng cử viên tiềm năng có thể được sử dụng để thay thế lithium, vì chúng rẻ và có nguồn cung ứng dồi dào. Tuy nhiên, ion natri và kali là ion nặng hơn nhiều so với lithium, vì vậy chúng di chuyển rất chậm qua hầu hết các vật liệu. Các ion dương này tiếp tục bị chậm lại bởi lực hấp dẫn mạnh với các điện tích âm trong vật liệu tinh thể.

“Các ion kali có tính di động thấp ở trạng thái rắn do kích thước của chúng lớn, đó là một bất lợi cho việc thiết kế pin”, tác giả Takumi Konno giải thích.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một cơ chế giống như các tế bào sống trong đó cho phép các hạt ion kali lớn đi qua màng đồng thời giữ các hạt nhỏ ở lại bằng cách xem xét không chỉ bản thân ion mà còn cả các phân tử nước xung quanh, được gọi là “lớp hydrat hóa”, được thu hút bởi điện tích dương của ion.

Trong thực tế, ion càng nhỏ thì lớp hydrat hóa liên kết càng lớn và chặt chẽ hơn. Các kênh potassium chuyên dụng trong màng tế bào có kích thước phù hợp để cho phép các ion kali lớn đi qua, nhưng giữ lại các lớp hydrat hóa lớn của các ion nhỏ hơn.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một mang tinh thể ion sử dụng nguyên tử rhodium, kẽm và oxy. Cũng giống như các kênh dẫn sinh học chọn lọc, tính di động của các ion trong tinh thể được phát hiện cho thấy là các ion potassium lớn hơn di chuyển nhanh hơn so với các ion lithium nhỏ hơn.

Đúng với thực tế, các ion potassium, được phân cấp là “chất dẫn điện siêu dẫn”, di chuyển quá dễ dàng Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng đây là vật liệu có khả năng di chuyển ion kali hydrat hóa lớn nhất từ trước đến nay.