Các nhà hóa học giải mã quá trình phản ứng có thể cải thiện pin lithium-lưu huỳnh
của Holly Ober, Đại học California, Los Angeles
Phản ứng chuyển đổi polysulfide liên quan đến pin Li-S. a, Sơ đồ minh họa mạng SRR liên quan đến pin Li-S. Quả cầu màu xanh và màu vàng tương ứng tượng trưng cho lithium và lưu huỳnh. SRR bao gồm một quy trình chuyển đổi 16 electron phức tạp từ phân tử S8 thành chất rắn Li2S, bao gồm nhiều chất trung gian LiPS hòa tan. b, CV của SRR trong pin Li-S với chất xúc tác N, S–HGF. Dữ liệu CV được thu thập trong ô đồng xu với tốc độ quét 0,05 mV s−1 (xem Phương pháp để biết chi tiết). Đường cơ sở màu đen thu được bằng cách sử dụng cùng loại N,S–HGF trong chất điện phân trắng không có lưu huỳnh, cho thấy sự đóng góp của dung lượng hai lớp không đáng kể vào tổng công suất. Hình nhỏ cho thấy trạng thái ổn định trong phạm vi điện áp xấp xỉ 2,11–2,25 V, bắt nguồn từ sự chuyển đổi chậm của Li2S8 thành Li2S4 do các phản ứng cân bằng/không cân xứng Li2S8 + Li2S4 ⇄ 2 Li2S6. Jgeo, mật độ dòng điện hình học. c, Sơ đồ minh họa kỹ thuật Raman tại chỗ được sử dụng trong nghiên cứu này. Nhà cung cấp: Thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06918-4
Pin lithium-lưu huỳnh có khả năng lưu trữ năng lượng gấp 5 đến 10 lần so với pin lithium-ion hiện đại nhất với chi phí thấp hơn nhiều. Pin lithium-ion hiện tại sử dụng oxit coban làm cực âm, một loại khoáng chất đắt tiền được khai thác theo cách gây hại cho con người và môi trường. Pin lithium-lưu huỳnh thay thế oxit coban bằng lưu huỳnh, rất dồi dào và rẻ, giá thành chưa bằng 1% giá coban.
Nhưng có một nhược điểm: Các phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng khử lưu huỳnh, rất phức tạp và chưa được hiểu rõ, đồng thời các phản ứng phụ không mong muốn có thể làm giảm tuổi thọ của pin trước các loại pin truyền thống.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu do các nhà hóa học Xiangfeng Duan và Philippe Sautet của UCLA dẫn đầu đã giải mã được con đường chính của phản ứng này. Những phát hiện này, được nêu trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature, sẽ giúp điều chỉnh phản ứng để cải thiện dung lượng và tuổi thọ của pin.
Phản ứng khử lưu huỳnh trong pin lithium-lưu huỳnh bao gồm 16 electron để chuyển đổi phân tử vòng lưu huỳnh tám nguyên tử thành lithium sulfide trong mạng phản ứng xúc tác với nhiều nhánh đan xen và các sản phẩm trung gian khác nhau gọi là lithium polysulfide và nhiều sản phẩm phụ khác.
Vì đây là một phản ứng phức tạp với nhiều con đường phân nhánh với nhau và nhiều sản phẩm trung gian đóng vai trò quan trọng để tiếp tục phản ứng nên việc nghiên cứu đã khó và thậm chí còn khó hơn để tìm ra phần nào của phản ứng cần nhắm tới để cải thiện hiệu suất pin .
Duan, tác giả tương ứng và giáo sư hóa học và hóa sinh của UCLA cho biết: “Bất chấp những nỗ lực sâu rộng nhằm cải thiện hiệu suất rõ ràng của pin lithium-lưu huỳnh, cơ chế phản ứng cơ bản vẫn chưa ổn định”. “Nhánh chính trong mạng lưới phản ứng này dành cho phản ứng khử lưu huỳnh vẫn là một chủ đề gây tranh cãi đáng kể.”
Một vấn đề được đặc biệt quan tâm là phản ứng phụ trong đó các chất trung gian polysulfua di chuyển, gọi là chuyển mạch, đến cực dương kim loại lithium và phản ứng với nó, tiêu thụ cả lưu huỳnh và lithium, dẫn đến tổn thất năng lượng và giảm nhanh khả năng lưu trữ. Việc xác định rõ ràng các chất trung gian quan trọng và hiểu rõ hơn về cách thức sản xuất hoặc tiêu thụ các chất trung gian này sẽ giúp các nhà khoa học kiểm soát sự di chuyển này giữa các điện cực và giảm thiểu lãng phí lưu huỳnh và lithium.
Nghiên cứu mới lần đầu tiên giải mã toàn bộ mạng lưới phản ứng, xác định con đường phân tử chủ đạo và tiết lộ vai trò quan trọng của xúc tác điện trong việc điều chỉnh động học của phản ứng.
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng các tính toán lý thuyết để vạch ra tất cả các lộ trình phản ứng có thể xảy ra và các chất trung gian liên quan, sau đó phân tích điện hóa và quang phổ để xác nhận các kết quả tính toán.
Hiệu suất của pin chủ yếu do Li2S4 là chất trung gian chính và chất xúc tác hóa ra lại rất quan trọng để chuyển đổi hoàn toàn Li2S4 thành sản phẩm phóng điện cuối cùng (Li2S). Các điện cực làm từ cacbon được pha tạp lưu huỳnh và nitơ có thể tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi này một cách hiệu quả.
Nghiên cứu của họ cũng phát hiện ra rằng Li2S6 trung gian không tham gia trực tiếp vào quá trình điện hóa nhưng hiện diện dưới dạng một sản phẩm quan trọng từ các phản ứng hóa học phụ và góp phần đáng kể vào hiệu ứng vận chuyển polysulfide không mong muốn.
Duan cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp sự hiểu biết cơ bản về phản ứng khử lưu huỳnh trong pin lithium-lưu huỳnh và chứng minh rằng vật liệu điện cực xúc tác được thiết kế phù hợp có thể đẩy nhanh các phản ứng sạc và xả, giảm thiểu các phản ứng phụ và cải thiện vòng đời”.
Sautet, Levi James K, cho biết: “Sự kết hợp giữa công nghệ pin và khoa học xúc tác mở ra con đường mới cho các thiết bị chuyển đổi năng lượng nhanh và công suất cao”.
