Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Nhóm nghiên cứu quốc tế vừa công bố tổng quan toàn diện về các vật liệu composite lai ghép trên nền MXene dành cho pin lithium-ion (LIB) thế hệ tiếp theo. Từ khi được phát hiện năm 2011, loại vật liệu 2D đặc biệt này đang dần khẳng định vị thế là "trụ cột" trong cuộc cách mạng lưu trữ năng lượng toàn cầu — nhưng chỉ khi được kết hợp với vật liệu phù hợp để khắc phục những điểm yếu cố hữu.

MXene là gì và tại sao nó quan trọng?

Trong bối cảnh nhu cầu lưu trữ năng lượng toàn cầu đang bùng nổ — từ xe điện, lưới điện thông minh đến thiết bị điện tử đeo tay — cuộc chạy đua tìm kiếm vật liệu điện cực vượt trội chưa bao giờ khốc liệt hơn. Và MXene đang nổi lên như một trong những ứng viên sáng giá nhất.

MXene là một họ vật liệu hai chiều (2D) gồm các carbide và nitride kim loại chuyển tiếp, biểu diễn bằng công thức Mₙ₊₁XₙTₓ — trong đó M là kim loại chuyển tiếp (Ti, V, Nb...), X là carbon hoặc nitơ, và Tₓ là các nhóm chức năng bề mặt (–OH, –F, –O). Chúng được chế tạo bằng cách khắc chọn lọc lớp nguyên tử A ra khỏi pha MAX — một quy trình có thể thực hiện bằng axit hydrofluoric, muối nóng chảy hoặc phương pháp điện hóa.

Điều làm MXene trở nên đặc biệt là sự kết hợp hiếm có: độ dẫn điện kim loại lên tới 10.000 S/cm, bề mặt ưa nước giúp ion lithium khuếch tán dễ dàng, diện tích bề mặt riêng lớn, và cấu trúc lớp mỏng linh hoạt có thể đàn hồi theo chu kỳ nạp/xả. Kể từ khi được phát hiện, MXene đã trải qua lộ trình phát triển rõ ràng: 2014–2016 tập trung tổng hợp tinh khiết; sau 2017 là lai ghép với carbon; 2019–2021 phát triển composite với oxit kim loại và sulfide; từ 2022 đến nay là tích hợp polymer, hữu cơ và đa thành phần.

Ba thách thức cốt lõi và cách composite giải quyết

Dù sở hữu nhiều ưu điểm, MXene nguyên chất gặp phải ba rào cản lớn khi ứng dụng thực tế:

Tái xếp lớp (restacking): Lực hút Van der Waals giữa các tấm MXene khiến chúng tự dính lại, giảm diện tích bề mặt và bịt kênh khuếch tán Li⁺. Giải pháp: chèn carbon, polymer hoặc oxit kim loại làm tấm đệm.

Oxy hóa bề mặt: Môi trường ẩm và nhiệt độ cao phân hủy cấu trúc, làm mất tính dẫn điện và giảm tuổi thọ điện cực. Giải pháp: bọc bảo vệ bằng lớp g-C₃N₄ hoặc polymer phù hợp.

Dung lượng thể tích giới hạn: Cấu trúc lớp mỏng không đủ vị trí lưu trữ Li, khiến năng lượng riêng thấp hơn vật liệu chuyển hóa. Giải pháp: kết hợp với oxit kim loại dung lượng cao như SnO₂, Fe₂O₃.

Bốn nhóm composite MXene chính và hiệu năng tiêu biểu

1. MXene/Cấu trúc nano carbon

Graphene, ống carbon nano (CNT) và carbon xốp đóng vai trò kép: vừa tạo mạng lưới dẫn điện bổ sung, vừa hoạt động như "thanh chèn" vật lý ngăn các tấm MXene tái xếp lớp và duy trì các kênh mở cho Li⁺. Một số kết quả tiêu biểu:

• Sợi nano rỗng Ti₃C₂Tₓ/carbon chế tạo bằng điện kéo sợi đạt dung lượng 306,5 mAh/g tại 40 mA/g — vượt xa điện cực paste MXene thông thường (81 mAh/g).
• Hybrid V₂CTₓ/5% CNT đạt 446 mAh/g và V₂CTₓ/5% graphene đạt 460 mAh/g, hiệu suất Coulomb >98% sau 140 chu kỳ.
• Composite MXene@SiNPs@NC foam đạt 1.658 mAh/g sau 100 chu kỳ và duy trì 857 mAh/g sau 500 chu kỳ.
• Cathode 3D-MCC-LFP (MXene/CNT/cellulose/LiFePO₄) đạt dung lượng diện tích 19,2 mAh/cm² — mức cao nhất trong dòng cathode LFP.

Lưu ý kỹ thuật: hàm lượng carbon tối ưu phải dưới 10% khối lượng. Vượt ngưỡng này, carbon có thể bịt các kênh xốp và cản trở khuếch tán Li⁺.

2. MXene/Oxit kim loại

Các oxit kim loại chuyển tiếp (TMO) như SnO₂, Fe₂O₃, TiO₂ sở hữu dung lượng lý thuyết rất cao nhưng bị hạn chế bởi độ dẫn điện thấp và giãn nở thể tích lớn. MXene bù đắp chính xác cả hai nhược điểm này.

3. MXene/Polymer

Polymer dẫn điện (polyaniline, polypyrrole) và polymer không dẫn điện (PVP, PVA) đóng các vai trò bổ sung nhau. Composite PI/MXene dạng sợi nano đạt độ bền kéo 19,6 MPa, tỷ lệ hấp thụ chất điện giải 832% và dung lượng phóng ban đầu 126,7 mAh/g — vượt xa màng ngăn Celgard 2400 thông thường (95,6 mAh/g).

Điện giải polymer rắn PEO-LiTFSI/MXene (3,6% khối lượng MXene) đạt độ dẫn ion 2,2×10⁻⁵ S/cm ở nhiệt độ phòng — mở đường cho pin toàn trạng thái rắn. Composite Ti₃C₂-g-P4VP-Ag cho phép lắng đọng lithium không nhánh cây với hiệu suất Coulomb >98%.

4. MXene/MoS₂ và MOF

MoS₂ sở hữu dung lượng lý thuyết 670 mAh/g với cơ chế phản ứng đa electron. Composite SnS₂@C/MXene đạt dung lượng đảo ngược 867,1 mAh/g sau 100 chu kỳ. Tính toán DFT xác nhận rằng nhóm chức –O và –F trên bề mặt MXene giảm rào cản kích hoạt khuếch tán Li từ 0,80 eV xuống còn 0,22 eV.

Cấu trúc aerogel (CoS@NHC)@MXene đạt 1.145,9 mAh/g tại 1 A/g sau 800 chu kỳ — minh chứng cho sức mạnh của kiến trúc lỗ xốp phân cấp 3D.

Năm hướng nghiên cứu ưu tiên

1. Kỹ thuật giao diện: thiết kế liên kết cộng hóa trị, pha tạp nguyên tử dị thể và tự lắp ráp để ổn định bề mặt tiếp xúc và tăng độ bền cơ học.
2. Tổng hợp bền vững: phát triển quy trình khắc điện hóa, muối nóng chảy và không dung môi — hướng đến sản xuất công nghiệp không độc hại.
3. Kiến trúc tiên tiến: cấu trúc 3D phân cấp, hình thái yolk-shell và giàn xốp để giảm thiểu giãn nở thể tích và tăng thấm chất điện giải.
4. Tích hợp linh hoạt: pin dẻo, thiết bị đeo và pin toàn trạng thái rắn phục vụ điện tử di động và xe điện thế hệ mới.
5. Đặc tính hóa thời gian thực: XRD synchrotron, XPS, EIS và TEM in-situ để hiểu cơ chế suy hóa và tối ưu hóa thiết kế vật liệu.

Tài liệu gốc: Umme Kalsoom et al., "MXene-based hybrid composites for lithium-ion batteries: advances in synthesis strategies and electrochemical performance," Ionics (2025), 31:10053–10073. Nhận bản thảo: 8/5/2025 · Chấp thuận: 7/8/2025 · Xuất bản: 28/8/2025.