Có rất nhiều nghiên cứu về việc loại bỏ carbon như một nguồn năng lượng, nhưng thay vào đó, điều gì sẽ xảy ra nếu carbon đang được sử dụng được sử dụng hết công suất của nó?
Mỗi đặc tính được hiển thị trong một phần không thể thiếu trong việc đảm bảo chức năng của SCC có thể được sử dụng để cải tiến các vật liệu carbon truyền thống được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ và chuyển đổi năng lượng. Nhà cung cấp hình ảnh: Debin Kong, Đại học Thanh Hoa
Tầm quan trọng của carbon như một nguồn năng lượng không thể bị đánh giá thấp. Thật không may, sự phụ thuộc vào các vật liệu gốc carbon này đã được chứng minh là gây tai hại cho môi trường, đặc biệt là về số lượng chúng được tiêu thụ trên toàn cầu. Vì vậy, cần phải nghiên cứu các phương tiện thay thế.
Cacbon cấu trúc thượng tầng (SCC) là một cách khả thi để sử dụng cacbon theo cách hiệu quả hơn và "xanh" hơn, có thể vượt quá hiệu suất hiện tại và tuổi thọ của vật liệu tiêu chuẩn trong các thiết bị lưu trữ và chuyển đổi năng lượng. Các nhà nghiên cứu đã công bố những phát hiện này trên tạp chí Vật liệu và Thiết bị Năng lượng .
SCC có nhiều mặt trong cả cấu trúc và hiệu suất cũng như về khái niệm tổng thể của chúng. Nó bắt đầu với thực tế là chúng thực sự là cacbon. Mặc dù đây có vẻ không phải là một bước để giảm sự phụ thuộc tổng thể vào carbon, nhưng đây là một cách khiến carbon được sử dụng có chủ ý hơn với nhiều chức năng trực tiếp hơn có thể mang lại hiệu suất và chức năng tốt hơn.
Debin Kong, nhà nghiên cứu và tác giả của nghiên cứu cho biết: “Loại độc đáo này đáp ứng nhu cầu chức năng cụ thể của các thiết bị hiệu suất cao và vượt qua cấu trúc cứng nhắc của cacbon truyền thống”.
SSC là vật liệu dựa trên carbon được chế tạo chính xác cho vật liệu mà nó tương tác, cho dù đó là pin lithium-ion (Li), pin lithium sulfide (LiS) hay pin kim loại-không khí.
Có ba đặc điểm chính của các SCC này được các nhà nghiên cứu đưa ra để phát triển và triển khai thành công: các lỗ được tùy chỉnh chính xác, các khung được điều chỉnh tự do và các giao diện có tính liên kết cao.
Việc có các lỗ xốp được tùy chỉnh chính xác có lợi thế là cải thiện việc sử dụng bề mặt và chuyển khối lượng so với các vật liệu cacbon truyền thống. Sử dụng carbon xốp làm một phần của vật liệu hoạt tính trong các thiết bị lưu trữ năng lượng (như pin) có thể cải thiện các số liệu như công suất riêng của vật liệu. Công suất riêng là lượng điện tích có thể truyền tới vật liệu trên mỗi gam trọng lượng của vật liệu.
Các khung được điều chỉnh tự do là rất quan trọng để cho phép chuyển điện tử nhanh chóng giữa các hoạt động bên trong của vật liệu, bao gồm bộ phận carbon và điện cực. Cuối cùng, các giao diện có độ kết hợp cao cho phép cải thiện thêm khả năng truyền điện tử, đây là một yếu tố quan trọng trong việc cải thiện chức năng và hiệu suất tổng thể của pin.
Các bề mặt phối hợp tốt với nhau cho phép các phản ứng điện hóa xảy ra dễ dàng hơn và không gặp các vấn đề như sự kết tụ hoặc hình thành các cụm hạt nano.
Kong cho biết: “Nhìn chung, khái niệm SSC cho thấy một cách giải quyết các vấn đề mà carbon hiện tại gặp phải, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng thực tế của carbon tiên tiến và các thiết bị liên quan đến năng lượng hiệu suất cao có liên quan của chúng trong tương lai”.
Các nhà nghiên cứu không chỉ nhằm mục đích cải thiện các vật liệu hoạt động dựa trên carbon với đánh giá này mà còn tìm cách tạo ra những đỉnh cao mới cho cấu trúc carbon. Những đột phá về hiệu suất là mục tiêu cuối cùng, nhằm phá vỡ các nút thắt trong hiệu suất chuyển đổi và lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, luôn có những khó khăn cần xem xét và những nếp nhăn cần giải quyết khi nghiên cứu sâu hơn.
Điều quan trọng nhất cần xem xét là các thiết bị khác nhau có nhu cầu khác nhau. Pin Li, LiS và pin kim loại-không khí có thể đều có mối quan hệ khác với SCC cần được bổ sung đầy đủ để đảm bảo tính phù hợp và tương thích. Ngoài ra, chi phí và hiệu suất của SCC cần được kiểm tra trước khi nó trở thành một giải pháp thiết thực và phổ biến.
Điều này có thể bao gồm việc cải tiến quy trình chuẩn bị và các tiền chất cần thiết để giảm chi phí và đơn giản hóa quá trình sản xuất. Một điểm khác cần nghiên cứu thêm là sự hiểu biết tổng thể về vi cấu trúc carbon và sự phát triển cấu trúc của nó tùy thuộc vào tiền chất carbon được sử dụng.
