Hợp kim cấu trúc nano mới cho cực dương: Bước tiến lớn trong cách mạng hóa việc lưu trữ năng lượng

Hợp kim dựa trên kẽm và mangan tiếp tục mở ra cánh cửa để thay thế các dung môi thường được sử dụng trong chất điện phân của pin bằng một thứ an toàn và rẻ hơn nhiều, cũng như rất dồi dào: nước biển.

Zhenxing Feng, nhà nghiên cứu kỹ thuật hóa học tại OSU cho biết: “Nhu cầu năng lượng của thế giới đang tăng lên, nhưng sự phát triển của các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa thế hệ tiếp theo với mật độ năng lượng cao và tuổi thọ chu kỳ dài vẫn còn là thách thức về mặt kỹ thuật”. "Pin dung dịch nước, sử dụng các dung dịch dẫn nước làm chất điện phân, là một giải pháp thay thế mới nổi và an toàn hơn nhiều so với pin lithium-ion. Nhưng mật độ năng lượng của hệ thống dung dịch nước tương đối thấp và nước cũng sẽ phản ứng với lithium, điều này đã tiếp tục cản trở việc sử dụng rộng rãi của pin dung dịch nước."

Pin dự trữ năng lượng dưới dạng năng lượng hóa học và thông qua các phản ứng chuyển nó thành năng lượng điện cần thiết để cung cấp năng lượng cho xe cộ, điện thoại di động, máy tính xách tay và nhiều thiết bị, máy móc khác. Pin bao gồm hai cực - cực dương và cực âm, thường được làm bằng các vật liệu khác nhau - cũng như bộ phân tách và chất điện phân, một môi trường hóa học cho phép dòng điện tích.

Trong pin lithium-ion, như tên gọi của nó, một điện tích được truyền qua các ion lithium khi chúng di chuyển qua chất điện phân từ cực dương sang cực âm trong quá trình phóng điện và trở lại trong quá trình sạc lại.

Feng cho biết: “Các chất điện phân trong pin lithium-ion thường được hòa tan trong dung môi hữu cơ, dễ cháy và thường bị phân hủy ở điện áp hoạt động cao. Do đó, rõ ràng là có những lo ngại về an toàn, bao gồm cả sự phát triển của dendrite lithium ở giao diện điện cực-chất điện phân; điều đó có thể gây ra chập mạch giữa các điện cực."

Đuôi gai giống những cây nhỏ mọc bên trong pin lithium-ion và có thể đâm xuyên qua dải phân cách giống như cây tật lê mọc qua các vết nứt trên đường lái xe; kết quả là các phản ứng hóa học không mong muốn và đôi khi không an toàn.

Các sự cố cháy nổ liên quan đến pin lithium-ion trong những năm gần đây bao gồm vụ cháy máy bay Boeing 787 đang đỗ vào năm 2013, vụ nổ trên điện thoại thông minh Galaxy Note 7 vào năm 2016 và vụ cháy Tesla Model S vào năm 2019.

Pin nước là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn để lưu trữ năng lượng an toàn và có thể mở rộng, Feng nói. Chất điện giải dạng nước có chi phí cạnh tranh, lành tính với môi trường, có khả năng sạc nhanh và mật độ điện năng cao và khả năng xử lý sai cao.

Tuy nhiên, việc sử dụng quy mô lớn của chúng đã bị cản trở bởi điện áp đầu ra hạn chế và mật độ năng lượng thấp (pin có mật độ năng lượng cao hơn có thể lưu trữ lượng năng lượng lớn hơn, trong khi pin có mật độ năng lượng cao hơn có thể giải phóng một lượng lớn năng lượng nhanh hơn).

Nhưng các nhà nghiên cứu tại Bang Oregon, Đại học Trung tâm Florida và Đại học Houston đã thiết kế một cực dương được tạo thành từ "hợp kim kẽm-M" ba chiều làm cực dương của pin - trong đó M ám chỉ mangan và các kim loại khác.

Feng nói: “Việc sử dụng hợp kim với cấu trúc nano đặc biệt của nó không chỉ ngăn chặn sự hình thành dendrite bằng cách kiểm soát nhiệt động học phản ứng bề mặt và động học phản ứng, nó còn thể hiện độ ổn định siêu cao qua hàng nghìn chu kỳ trong các điều kiện điện hóa khắc nghiệt. Việc sử dụng kẽm có thể chuyển nhiều lần sạc hơn lithium, do đó cải thiện mật độ năng lượng của pin.”

Ông nói thêm: “Chúng tôi cũng đã thử nghiệm pin dung dịch nước của mình bằng cách sử dụng nước biển, thay vì nước khử ion có độ tinh khiết cao. Công việc của chúng tôi cho thấy tiềm năng thương mại để sản xuất quy mô lớn các loại pin này."

Feng và Ph.D. Maoyu Wang đã sử dụng hình ảnh và quang phổ hấp thụ tia X để theo dõi các thay đổi nguyên tử và hóa học của cực dương trong các giai đoạn hoạt động khác nhau, điều này đã xác nhận cách thức hoạt động của hợp kim 3D trong pin.

"Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của chúng tôi đã chứng minh rằng cực dương hợp kim 3D có độ ổn định bề mặt chưa từng có, đạt được nhờ một kênh khuếch tán thuận lợi của kẽm trên bề mặt hợp kim", Feng nói. "Khái niệm được thể hiện trong công trình hợp tác này có khả năng mang lại sự thay đổi mô hình trong thiết kế cực dương hợp kim hiệu suất cao cho pin dung dịch nước và không chứa nước, cách mạng hóa ngành công nghiệp pin."

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily