Giải pháp có thể giúp thay thế Lithium bằng Natri trong Pin

Pin lithium cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử và xe điện của chúng ta có một số nhược điểm. Chất điện phân - môi trường cho phép các electron và điện tích dương di chuyển giữa các điện cực - là chất lỏng dễ cháy. Hơn nữa, nguồn tài nguyên tạo ra lithium rất hạn chế vì vấn đề địa chính trị lớn.

Các chuyên gia về tinh thể học tại trường Đại học Geneva (UNIGE) đã phát triển một chất điện phân rắn, không cháy, hoạt động ở nhiệt độ phòng. Nó vận chuyển natri — được tìm thấy ở khắp mọi nơi trên trái đất — thay lithium. Có nghĩa là có thể sản xuất pin mạnh hơn.

Đặc tính của những loại pin "lý tưởng" này sẽ dựa trên cấu trúc tinh thể của chất điện phân, một hydroborat bao gồm bo và hydro. Nhóm nghiên cứu của UNIGE đã công bố một hộp công cụ trên tạp chí Cell Reports Physical Science có chứa đựng chiến lược sản xuất chất điện phân rắn dành cho các nhà phát triển pin.

Đối với các sáng kiến ​​phát triển bền vững, thách thức về việc tích trữ năng lượng là rất lớn. Đúng vậy, phát triển các loại xe điện không thải ra khí nhà kính phụ thuộc vào các loại pin mạnh và an toàn, cũng như sự phát triển năng lượng tái tạo — mặt trời và gió — phụ thuộc vào khả năng lưu trữ năng lượng.

Hiện tại Pin Lithium là câu trả lời cho những thách thức này. Thật đáng tiếc, lithium cần chất điện phân lỏng, rất dễ nổ trong trường hợp rò rỉ. Fabrizio lập luận: “Hơn nữa, lithium không có sẵn ở khắp mọi nơi trên trái đất và nó dẫn đến các vấn đề địa chính trị. Fabrizio Murgia, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Khoa học của UNIGE, lập luận rằng: “natri là một ứng cử viên sáng giá để thay thế, vì natri có các tính chất hóa học và vật lý gần với lithium và được tìm thấy ở khắp mọi nơi”.

Nhiệt độ quá cao

Hai nguyên tố - natri và liti - ở gần nhau trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố. Matteo Brighi, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại UNIGE và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: "Vấn đề là natri nặng hơn so với người anh em họ của nó là lithium. Điều đó có nghĩa là nó gặp khó khăn trong việc vận chuyển trong chất điện phân của pin".

Theo đó, cần phải phát triển các chất điện giải có khả năng vận chuyển các cation như natri. Năm 2013 và 2014, các nhóm nghiên cứu của Nhật Bản và Hoa Kỳ đã xác định hydroborat là chất dẫn natri tốt trên 120°C. Thoạt nhìn, đây là nhiệt độ quá cao đối với việc sử dụng pin hàng ngày, nhưng đối với phòng thí nghiệm Geneva lại là may mắn!.

Qua nhiều thập kỷ sử dụng hydroborat trong các ứng dụng như lưu trữ hydro, các nhà tinh thể học Geneva bắt đầu nghiên cứu để giảm nhiệt độ dẫn điện. Radovan Cerny, giáo sư tại Phòng thí nghiệm Tinh thể học của UNIGE và trưởng dự án cho biết thêm: "Chúng tôi đã thu được kết quả rất tốt với các đặc tính tuyệt vời tương thích với pin. Chúng tôi đã thành công trong việc sử dụng hydroborat làm chất điện phân ở nhiệt độ phòng lên đến 250 độ C mà không có vấn đề gì về an toàn. Hơn nữa, pin có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn".

Giải pháp: Sự rối loạn

Tinh thể học - một môn khoa học nằm giữa khoáng vật học, vật lý và hóa học - được sử dụng để phân tích và hiểu cấu trúc của các chất hóa học và dự đoán tính chất của chúng. Nhờ tinh thể học, người ta có thể thiết kế các vật liệu. Đó là cách tiếp cận tinh thể học đã được bộ ba nhà nghiên cứu ở Geneva công bố sử dụng để thực hiện các chiến lược sản xuất.

Murgia cho biết: “Bài viết của chúng tôi đưa ra các ví dụ có thể sử dụng cấu trúc để tạo ra và phá vỡ hydroborat. Cấu trúc của hydroborat cho phép các quả cầu boron và hydro tích điện âm xuất hiện. Những không gian hình cầu này đủ chỗ cho các ion natri tích điện dương đi qua”.

Brighi nói thêm: “Tuy nhiên, khi các điện tích âm và dương hút nhau, chúng tôi cần tạo ra sự rối loạn trong cấu trúc để phá vỡ các hydroborat và cho phép natri di chuyển”.

Bình Minh dịch

Nguồn: Lab Manager – Hoa Kỳ