Chuẩn mực mới cho cực âm carbon hiệu suất cao trong pin lithium-oxy
của Đại học Tohoku
Tổng hợp tấm GMS đứng tự do và không có cạnh với cấu trúc xốp phân cấp. Nguồn: Wei Yu, Hirotomo Nishihara và cộng sự
Pin lithium-air, đôi khi được gọi là pin lithium-oxy (Li-O2), bao gồm cực dương kim loại lithium, chất điện phân hữu cơ và cực âm carbon xốp. Trong quá trình phóng điện, oxy trong không khí xung quanh phản ứng với lithium ở cực âm, giải phóng năng lượng trong quá trình này. Với mật độ năng lượng cực cao (> 3500 Wh kg-1), pin Li-O2 có khả năng dẫn đầu trong việc tạo ra các nguồn xanh hơn để đảm bảo an ninh năng lượng.
Tuy nhiên, những tiến bộ trong công nghệ đã bị đình trệ vì cực âm carbon được thiết kế đặc biệt thiếu một số đặc tính nhất định. Cụ thể là các địa điểm hoạt động dồi dào, nơi các phản ứng hóa học có thể diễn ra và không gian đủ rộng để chứa quá trình tạo mầm và phát triển của các sản phẩm phóng điện, cần thiết để đạt được mật độ năng lượng cao.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Tohoku và các đối tác của họ đã phát triển một loại tấm carbon xốp đặc biệt gọi là tấm mesosponge graphene (tấm GMS). Thiết kế này đã được báo cáo trên tạp chí Vật liệu năng lượng tiên tiến, cải thiện đáng kể mật độ năng lượng và độ ổn định chu kỳ trong pin Li-O2, đặt ra tiêu chuẩn hiệu suất cao.
Hirotomo Nishihara, giáo sư tại Viện nghiên cứu vật liệu tiên tiến (WPI-AIMR) của Đại học Tohoku và cộng sự cho biết: “Thiết kế hợp lý cấu trúc xốp cho cực âm carbon là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao, nhưng nó cũng là một thách thức lớn”. - tác giả tương ứng của bài báo. “Chúng tôi đã phát triển một cách sáng tạo một quy trình tổng hợp có thể kiểm soát được từ angstrom đến milimet của các cực âm đứng tự do với graphene được xếp chồng lên nhau ở mức tối thiểu không có các vị trí ở rìa.”
Dung lượng của pin Li-O2 có tấm GMS được tổng hợp theo các thông số khác nhau. Nguồn: Wei Yu, Hirotomo Nishihara và cộng sự
Để làm được điều này, Nishihara và các đồng nghiệp của ông đã kiểm soát một cách hợp lý ba thông số tổng hợp trong quá trình lắng đọng hơi hóa học (CVD): lực tạo hạt, lượng mẫu Al2O3 và thời lượng của CVD. Làm như vậy sẽ tạo ra một loạt các tấm GMS có độ xốp, số lượng lớp carbon và độ dày tấm khác nhau.
Wei Yu, trợ lý giáo sư tại WPI-AIMR của Đại học Tohoku và đồng tác giả cho biết: “Thật thú vị khi thấy rằng công suất khối lượng/diện tích cụ thể của pin Li-O2 sử dụng cực âm tấm GMS có thể được kiểm soát bởi ba thông số tổng hợp này”. của tờ giấy.
"Bằng cách tối ưu hóa các thông số này, chúng tôi rất vui mừng khi đạt được khả năng lưu trữ năng lượng ấn tượng, vượt qua hiệu suất của các cực âm carbon tốt nhất, với hơn 6.300 miliampe giờ mỗi gam và hơn 30,0 miliampe giờ mỗi cm vuông khi được chuẩn hóa về khối lượng và diện tích của tấm GMS tương ứng."
"Với sự giúp đỡ của các cộng tác viên từ Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia, Đại học Ochanomizu, Đại học Hokkaido, Đại học Osaka và 3DC Inc., chúng tôi đã mô tả cơ chế phóng điện bằng cách sử dụng các kỹ thuật toàn diện tại chỗ và mở ra chìa khóa cho hiệu suất vượt trội của pin: cấu trúc xốp phân cấp của tấm GMS," Yu cho biết thêm.
Giáo sư Nishihara và nhóm của ông tin rằng tấm GMS sẽ là cực âm carbon quan trọng cho pin Li-O2. "Chúng tôi sẽ tiếp tục thúc đẩy việc sử dụng pin Li-O2 trong thực tế dựa trên bảng GMS của chúng tôi và bối cảnh của chúng tôi cũng bao gồm các loại pin khí kim loại khác như pin Na-O2, Li-CO2 và Zn-O2, trong đó một cũng cần có cực âm carbon hiệu suất cao", Nishihara kết luận.
