MỸ – Khi thị trường xe điện và lưu trữ năng lượng tái tạo tăng vọt, nhu cầu về công nghệ pin giá cả phải chăng và bền vững cũng tăng theo. Một nghiên cứu mới do các nhà khoa học từ Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Nano tại Đại học Rice (Rice University), cùng các cộng tác viên từ Đại học Baylor (Baylor University) và Viện Giáo dục và Nghiên cứu Khoa học Ấn Độ Thiruvananthapuram (Indian Institute of Science Education and Research Thiruvananthapuram), đã giới thiệu một giải pháp sáng tạo có thể tác động đến các công nghệ lưu trữ năng lượng điện hóa. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.

Sử dụng một sản phẩm phụ của ngành dầu khí, nhóm nghiên cứu đã làm việc với các vật liệu carbon có hình dạng độc đáo – hình nón và đĩa nhỏ – với cấu trúc của than chì (graphit) tinh khiết. Những hình dạng bất thường này được tạo ra thông qua quá trình nhiệt phân hydrocarbon có thể mở rộng quy mô, giúp giải quyết một vấn đề lâu dài đối với anode của pin: làm thế nào để lưu trữ năng lượng bằng các nguyên tố như natri và kali, chi phí thấp hơn và có sẵn hơn so với lithium.

Tác giả bài viết nghiên cứu – ông Pulickel Ajayan, Giáo sư Kỹ thuật Benjamin M. và Mary Greenwood Anderson tại đại học Rice, đã chia sẻ: “Trong nhiều năm, chúng tôi đã biết rằng natri và kali là những lựa chọn thay thế tốt hơn lithium. Nhưng vấn đề luôn là tìm ra vật liệu anode gốc carbon có thể lưu trữ các ion lớn hơn này một cách hiệu quả”.

Phá vỡ rào cản than chì
Pin lithium-ion truyền thống dựa vào than chì làm vật liệu cực dương. Tuy nhiên, cùng một cấu trúc than chì lại không thành công khi áp dụng natri hoặc kali. Các nguyên tử của chúng đơn giản là quá lớn và tương tác quá phức tạp để trượt vào và ra khỏi các lớp than chì được kết hợp chặt chẽ.

Nhưng về hình dạng của carbon ở cấp độ vi mô, nhóm nghiên cứu đã tìm ra giải pháp thay thế. Cấu trúc hình nón và đĩa cung cấp độ cong và khoảng cách tiếp nhận các ion natri và kali mà không cần pha tạp hóa học (quá trình cố ý thêm một lượng nhỏ các nguyên tử hoặc phân tử cụ thể để thay đổi tính chất của nó) hoặc các sửa đổi nhân tạo khác.

Tác giả đầu tiên của bài viết nghiên cứu – ông Atin Pramanik, một cộng sự sau tiến sĩ thuộc phòng thí nghiệm của Giáo sư Pulickel Ajayan, đã nói rằng: “Chúng tôi đã rất ngạc nhiên khi thấy những cấu trúc than chì cong tinh khiết này hoạt động tốt như thế nào. Ngay cả khi không có các nguyên tử dị hợp, chúng vẫn cho phép xen kẽ thuận nghịch các ion natri và thực hiện điều đó với ứng suất cấu trúc tối thiểu”.

Bền vững, có thể mở rộng và thân thiện môi trường
Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, các phân tử carbon hình nón và đĩa lưu trữ khoảng 230 miliampe – giờ điện tích trên mỗi gam (mAh/g) bằng cách sử dụng các ion natri và chúng vẫn giữ được 151 mAh/g ngay cả sau 2.000 chu kỳ sạc nhanh. Chúng cũng hoạt động tốt với pin kali-ion, nhưng hiệu suất không mạnh bằng pin natri.

Ông Atin Pramanik đang kiểm tra nguyên mẫu pin

Các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến như kính hiển vi điện tử truyền qua nhiệt độ thấp và cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn đã xác nhận rằng các ion đi vào và thoát ra khỏi cấu trúc carbon như mong đợi và vật liệu này giữ nguyên hình dạng trong hàng nghìn chu kỳ sạc – xả.

Ông Atin Pramanik đã nói rằng: “Đây là một trong những minh chứng rõ ràng đầu tiên về sự xen kẽ ion natri trong vật liệu than chì tinh khiết với độ ổn định như vậy. Nó thay đổi quan niệm cho rằng than chì tinh khiết không thể hoạt động với natri”.

Điều này không chỉ mở đường cho pin natri-ion giá thành thấp hơn mà còn giúp giảm sự phụ thuộc vào lithium, loại vật liệu đang ngày càng khan hiếm và phức tạp về mặt địa chính trị để tìm nguồn cung ứng. Và vì carbon hình nón/ đĩa có thể được tổng hợp từ các sản phẩm phụ của ngành dầu khí, giúp mở ra một con đường bền vững hơn cho ngành sản xuất anode pin.

Bước ngoặt cho thiết kế pin
Trong khi đa số các nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung vào cacbon cứng hoặc vật liệu pha tạp, nghiên cứu mới đánh dấu bước ngoặt trong chiến lược – nhấn mạnh vào hình thái hơn là biến đổi hóa học.

Giáo sư Pulickel Ajayan đã nói rằng: “Chúng tôi tin rằng khám phá này mở ra một không gian thiết kế mới cho cực dương pin. Thay vì thay đổi thành phần hóa học, chúng tôi đang thay đổi hình dạng và điều đó đạt hiệu quả”.

Ông Atin Pramanik nói tiếp: “Chúng tôi không chỉ phát triển vật liệu pin tốt hơn. Chúng tôi đang cung cấp một con đường thực sự để lưu trữ năng lượng sạch hơn, chi phí thấp hơn và có sẵn rộng rãi hơn cho tất cả mọi người”.

Để xem các tin bài khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online