NHẬT BẢN – Một nhóm nghiên cứu từ viện khoa học phân tử (IMS – Institute for molecular science) đã phát triển một loại chất điện phân hoàn toàn mới dành cho pin vận chuyển fluoride (fluoride shuttle batteries) (*), một loại pin sạc thế hệ mới, dựa trên một khái niệm mang tính đột phá.
(*) Fluoride shuttle batteries: Fluoride (florua) là ion mang điện tích âm của nguyên tố flo, có công thức F–. Pin vận chuyển fluoride là công nghệ pin thế hệ mới, trong đó ion F– đóng vai trò là hạt mang điện tích giữa hai điện cực, tương tự như cách ion lithium (Li+) hoạt động trong pin lithium-ion.

Trong bối cảnh nhu cầu toàn cầu về các công nghệ lưu trữ năng lượng có mật độ năng lượng cao và chi phí thấp đang tăng mạnh, việc tăng tốc nghiên cứu các hệ thống mới nhằm thay thế pin lithium-ion truyền thống ngày càng chuyển biến mạnh. Pin vận chuyển fluoride đang thu hút nhiều sự chú ý như một ứng viên đầy triển vọng cho thế hệ pin tiếp theo. Chúng sở hữu mật độ năng lượng trên lý thuyết cao và có thể sản xuất bằng các vật liệu chi phí thấp, dồi dào trong vỏ trái đất. Đặc tính chính trong nguyên lý vận hành của loại pin này là khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng bằng cách dịch chuyển các ion fluoride qua lại giữa các điện cực.

Tuy nhiên, một trở ngại lớn đối với hệ thống pin này là “phản ứng fluor hóa” (fluorination reaction) khó kích hoạt hơn so với phản ứng ngược lại là “phản ứng khử fluor” (defluorination reaction) (*). Trong quá trình fluor hóa, các phản ứng phụ không mong muốn và các quá trình không thể đảo ngược thường xuyên xảy ra, khiến hiệu suất của pin bị suy giảm. Do đó, vấn đề đặt ra cần tìm cách giúp phản ứng này diễn ra một cách ổn định, và xác định cấu trúc chất điện phân cần được thiết kế như thế nào để đạt được mục tiêu đó.
(*) Fluor hoá (hay flo hoá) là quá trình đưa flo (F) vào một hợp chất. Ngược lại, khử fluor (hay khử flo) là quá trình loại bỏ flo khỏi hợp chất.

Để thúc đẩy phản ứng fluor hóa, một giải pháp được cân nhắc là tăng nồng độ ion fluoride trong chất điện phân. Tuy nhiên, các muối fluoride vô cơ bền vững nhìn chung lại hòa tan kém trong các dung môi hữu cơ, khiến việc đạt được nồng độ đủ cao trở nên phức tạp.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào một loại muối vô cơ chứa flo khác: kali tetrafluoroborat (KBF4). Do KBF4 có tính bền vững hóa học cao và từng được ghi nhận là nguồn cung cấp fluoride trong các phản ứng hóa học, nhóm nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng nó có thể điều tiết hiệu quả phản ứng fluor hóa tại ranh giới tiếp xúc giữa điện cực và chất điện phân.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách thêm cả cesi fluoride (CsF) và KBF4 vào một dung môi hữu cơ (tetraglyme), lượng ion Cs đã tăng lên đáng kể so với khi không sử dụng KBF4. Điều này cho thấy KBF4 đã thúc đẩy độ hòa tan của các muối fluoride và thay đổi hoàn toàn trạng thái của các ion fluoride bên trong chất điện phân.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm chất điện phân mới được điều chế và xác nhận rằng nó sở hữu độ bền điện hóa cao. Hơn nữa, bằng cách sử dụng các kỹ thuật phân tích như quét thế vòng (cyclic voltammetry) (1) và quang phổ điện tử tia X (X-ray photoelectron spectroscopy) (2) trên điện cực kim loại bismuth, họ đã quan sát thấy các phản ứng fluor hóa và khử fluor diễn ra có tính đảo ngược hoàn toàn. Những kết quả này đã chứng minh rằng chất điện phân chứa KBF4 hoạt động hiệu quả trong việc thúc đẩy các phản ứng điện cực cần thiết cho pin vận chuyển fluoride.
(1) Cyclic voltammetry: là công cụ đo “sức khỏe” và “hành vi” điện hóa của vật liệu. Cách hoạt động: Kỹ thuật viên sẽ thay đổi điện áp (thế điện dịch) áp vào điện cực theo một chu kỳ vòng tròn (tăng lên một mức nào đó rồi lại giảm về mức cũ) và đo dòng điện sinh ra tương ứng.
(2) X-ray photoelectron spectroscopy: là công cụ “chụp X-quang” để biết trên bề mặt vật liệu đang có những nguyên tố nào và trạng thái liên kết hóa học như thế nào.

Đặc biệt, trong các phép đo nạp – xả thực tế, chất điện phân mới này đã hỗ trợ cho các phản ứng đảo ngược trong một điện cực composite bismuth fluoride. Đáng chú ý là điện thế xảy ra phản ứng fluor hóa với chất điện phân mới này âm hơn so với các hệ thống trước đây vốn sử dụng các chất phụ gia hữu cơ. Điều này chỉ ra rằng chất điện phân KBF4 đang kiểm soát hoạt động của ion fluoride và các phản ứng điện cực theo một phương thức hoàn toàn mới và ưu việt hơn.

Những phát hiện này chứng minh rằng chất điện phân KBF4 đang kiểm soát hiệu quả hoạt động của ion fluoride bên trong pin bằng một chất phụ gia bền vững về mặt hóa học và có chi phí thấp. Rất có khả năng chất điện phân mới này kích hoạt phản ứng fluor hóa bằng cách thay đổi một cách độc đáo trạng thái của các ion fluoride và điện cực. Nhóm nghiên cứu hiện đang tiến hành các nghiên cứu chi tiết hơn để hiểu sâu hơn về cơ chế hoạt động chính xác của quá trình này.

Nhìn chung, nghiên cứu này mang đến một hướng tiếp cận mới, đơn giản và có khả năng mở rộng quy mô trong việc thiết kế chất điện phân cho pin vận chuyển fluoride, sử dụng các vật liệu hoàn toàn khác biệt so với các phương pháp trước đây. Bằng cách chứng minh chất điện phân dựa trên KBF4 cho phép thực hiện các phản ứng điện cực đảo ngược, nghiên cứu này đã đánh dấu một bước tiến mang tính quyết định.

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

 

Nguồn: Electronics Online