Pin kẽm-iốt ‘chạy bằng cơm’? Sạc 3 phút, bền hơn 60.000 chu kì
Một loại pin kẽm-iốt gốc nước do các nhà khoa học tại Đại học Flinders, Australia phát triển có thể nạp trong khoảng 3 phút và vượt 60.000 chu kì trong thử nghiệm tốc độ cao.
Bí quyết nằm ở mạng polymer chứa những khoang phân tử từ cyclodextrin, hợp chất có thể sản xuất từ tinh bột, giúp giữ các dạng iốt hòa tan không chạy sang cực kẽm.
Ngày 13/8/2026, nhóm Flinders công bố nghiên cứu trên Angewandte Chemie International Edition. Công trình tập trung vào một điểm yếu lâu năm của pin kẽm-iốt gốc nước: Các hợp chất iốt sinh ra khi sạc xả dễ hòa tan rồi di chuyển khỏi cực dương.
Theo Flinders, cell hoạt động ở khoảng 1,3 - 1,4 V, đạt khoảng 200 mAh/g, nạp trong 7 phút và duy trì hơn 8.000 chu kì. Khi tăng tốc độ lên mức tương ứng khoảng 3 phút cho một lần nạp, dung lượng còn 150 mAh/g nhưng tuổi thọ vượt 60.000 chu kì. Như vậy, hai con số 3 phút và hơn 60.000 chu kì thực sự xuất hiện cùng một chế độ; phần đánh đổi nằm ở dung lượng riêng thấp hơn.
Bài báo còn ghi nhận dung lượng giảm khoảng 0,0001 - 0,0003% sau mỗi chu kì, tùy chế độ thử nghiệm. Đây vẫn là kết quả trên cell phòng thí nghiệm, chưa thể quy đổi trực tiếp thành tuổi thọ của một bộ pin thương mại.
Chiếc “lồng” giữ iốt ở lại cực dương
Pin kẽm-iốt có lợi thế về nguyên liệu tương đối phổ biến, chất điện phân gốc nước khó cháy và phù hợp với lưu trữ năng lượng. Điểm yếu lớn là iốt dễ hòa tan rồi rời khỏi cực dương trong quá trình sạc xả.
Các hợp chất iốt hòa tan, gọi là polyiodide, có thể xuyên qua màng ngăn và đi tới cực kẽm. Tại đây, chúng phản ứng với kẽm, gây tự phóng điện, ăn mòn cực âm và làm hao hụt vật liệu hoạt động. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng con thoi polyiodide.
Nhóm Flinders xử lý bằng mạng polymer làm từ cyclodextrin, hợp chất có thể sản xuất từ tinh bột và vốn được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm. Tinh bột cũng là thành phần quen thuộc trong gạo, ngô, khoai hay sắn. Vì thế, cách gọi pin “chạy bằng cơm” chỉ là lối nói vui bởi cơm không phải nhiên liệu của viên pin.
Cyclodextrin có một khoang rỗng ở giữa, đủ để giữ những hợp chất có kích thước phù hợp. Khi nhiều phân tử được liên kết thành mạng polymer, chúng tạo ra hàng loạt “lồng” nhỏ quanh cực dương.
Các lồng này không khóa iốt hoàn toàn. Chúng giữ polyiodide đủ chặt để hạn chế thất thoát sang cực kẽm, nhưng vẫn cho phép chúng dịch chuyển và tiếp tục tham gia phản ứng. Nếu giữ quá lỏng, iốt vẫn thất thoát; nếu quá chặt, quá trình sạc xả sẽ bị cản trở.
Cyclodextrin không phải vật liệu hoàn toàn mới với pin kẽm-iốt. Tháng 3/2026, một nghiên cứu trên Energy Storage Materials đã dùng β-cyclodextrin làm phụ gia ở cực dương để hạn chế thất thoát iốt. Đến tháng 6, một công trình trên ACS Sustainable Chemistry & Engineering cũng dùng β-cyclodextrin để bắt giữ các dạng iốt, qua đó hạn chế hiệu ứng con thoi.
Khác biệt ở Flinders là các phân tử cyclodextrin được liên kết thành một mạng polycyclodextrin liên kết chéo. Các khoang trong mạng giữ polyhalide quanh cực dương nhưng vẫn cho chúng dịch chuyển từ vị trí này sang vị trí khác khi phản ứng diễn ra. Đây là một trong những yếu tố giúp cell làm việc ở tốc độ cao mà vẫn đạt tuổi thọ rất lớn.
Sạc nhanh chưa phải điểm đặc biệt duy nhất
Công trình của Flinders còn tìm cách giúp iốt lưu trữ nhiều điện hơn. Ở pin kẽm-iốt thông thường, phản ứng chỉ khai thác một phần khả năng của iốt, tương ứng với việc trao đổi hai electron và dung lượng lí thuyết khoảng 211 mAh/g. Nhóm nghiên cứu mở rộng phản ứng thêm một bước, nâng số electron trao đổi lên bốn và nhờ đó có thể lưu trữ nhiều điện hơn.
Khó khăn là dạng iốt sinh ra ở bước mới không bền trong môi trường nước. Nhóm Flinders bổ sung bromide, giúp liên kết với dạng iốt này và hạn chế chúng bị thủy phân. Nhờ đó, vật liệu cực dương đạt khoảng 205 mAh/g với cơ chế hai electron và tăng lên 365 mAh/g khi khai thác bốn electron.
Mạng cyclodextrin cũng góp phần giữ các hợp chất iốt quanh cực dương mà không khóa chúng tại một chỗ, nhờ vậy chúng vẫn có thể di chuyển và tham gia phản ứng khi pin sạc hoặc xả.
Các con số 150 - 200 mAh/g trong thử nghiệm cần được hiểu đúng. Đây là dung lượng tính trên vật liệu hoạt động, không phải của toàn bộ viên pin. Một cell hoàn chỉnh còn có cực kẽm, chất điện phân, màng ngăn, bộ góp dòng, vỏ và nhiều thành phần khác.
Tương tự, hơn 60.000 chu kì trong phòng thí nghiệm không có nghĩa pin thương mại sẽ dùng được hàng trăm năm. Tuổi thọ thực tế còn phụ thuộc nhiệt độ, mức sạc xả, lượng vật liệu, thiết kế cell và quá trình lão hóa theo thời gian.
Điện áp thấp và bài toán đưa ra khỏi phòng thí nghiệm
Pin dùng chất điện phân gốc nước an toàn hơn về cháy nổ, nhưng điện áp thường thấp hơn lithium-ion. Đây là một trong những lí do mật độ năng lượng của pin kẽm-iốt khó cạnh tranh với loại pin đang dùng trên điện thoại và ôtô điện.
Về nhiệt động học, cửa sổ ổn định điện hóa của nước khoảng 1,23 V. Trong pin thực tế, các phản ứng tạo hydro và oxy không xảy ra ngay tại ngưỡng này, nên vùng hoạt động có thể được mở rộng lên khoảng 1,7 V ở một số hệ. Dù vậy, pin nước nhìn chung vẫn khó đạt điện áp cao như lithium-ion dùng chất điện phân hữu cơ.
Vì thế, pin kẽm-iốt được đánh giá phù hợp hơn với lưu trữ điện cố định, chẳng hạn các trạm tích trữ điện mặt trời và điện gió. Ở những hệ thống này, trọng lượng không quá quan trọng như trên ôtô; chi phí, độ an toàn, tuổi thọ và nguồn nguyên liệu thường được ưu tiên hơn mật độ năng lượng.
Tuy vậy, từ kết quả trong phòng thí nghiệm đến một viên pin có thể sản xuất và sử dụng thực tế vẫn còn khá xa. Nghiên cứu đăng trên Joule năm 2025 cho thấy khi làm điện cực dày hơn để chứa nhiều năng lượng, pin kẽm-iốt dễ gặp vấn đề như thất thoát iốt và khó chế tạo điện cực đủ đặc chắc.
Để khắc phục, nhóm nghiên cứu chuyển sang quy trình chế tạo khô và tạo được cell túi cỡ Ah. Mẫu pin này vẫn giữ 88,6% dung lượng sau 750 lần sạc-xả. Điều đó cho thấy pin kẽm-iốt đang dần tiến gần hơn tới quy mô ứng dụng. Tuy nhiên, việc vừa tăng kích thước pin, vừa giữ được tuổi thọ hàng chục nghìn chu kì như trong phòng thí nghiệm vẫn là thách thức lớn.
Cực kẽm cũng còn nhiều vấn đề mà nghiên cứu Flinders chưa xử lí toàn diện. Trong quá trình hoạt động, kẽm có thể mọc các tinh thể nhọn gọi là dendrite, bị ăn mòn hoặc sinh khí hydro. Mạng polycyclodextrin chủ yếu giải quyết việc các hợp chất iốt rời khỏi cực dương, chứ chưa loại bỏ mọi nguyên nhân khiến pin xuống cấp.
Về nguyên liệu, công nghệ có một lợi thế đáng kể. Polymer trong nghiên cứu được tạo từ cyclodextrin có nguồn gốc oligosaccharide tương đối rẻ và có khả năng phân hủy sinh học. Australia cũng đứng đầu thế giới về tài nguyên kẽm kinh tế, chiếm khoảng 27% tổng nguồn tài nguyên toàn cầu theo Geoscience Australia.
Nhóm Flinders hiện hợp tác với doanh nghiệp để phát triển nền tảng chế tạo nguyên mẫu. Bước khó hơn là giữ được những kết quả trên khi điện cực dày lên, lượng iốt tăng và cell được làm ở kích thước thực tế. Nếu làm được, pin kẽm-iốt sẽ có thêm cơ hội trong các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn, nơi độ bền, an toàn và chi phí có thể quan trọng hơn việc đạt mật độ năng lượng thật cao.
