Công nghệ 'bọt điện tử' tăng cường độ bền của pin kẽm ion nước chống cháy
của Hội đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ quốc gia
So sánh hình ảnh sau khi lắng đọng kẽm. Nguồn: Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một vật liệu điện cực mới dựa trên oxit đồng và ứng dụng thành công vào pin kẽm ion nước, đạt được độ bền cải thiện gấp ba lần. Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Pin kẽm nước là loại pin thứ cấp sử dụng nước làm chất điện phân, cung cấp giải pháp thay thế an toàn hơn và thân thiện với môi trường hơn cho pin lithium-ion, loại pin sử dụng chất điện phân lỏng dễ bay hơi và có nguy cơ cháy nổ. Chi phí sản xuất thấp và vật liệu rẻ tiền cũng khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các hệ thống lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo (ESS).
Tuy nhiên, trong quá trình sạc, một hiện tượng được gọi là hình thành dendrite xảy ra, trong đó các cặn kim loại kẽm phát triển theo hình dạng dài trên bề mặt cực dương, dẫn đến giảm tuổi thọ của pin. Các dendrite này có thể xuyên qua lớp ngăn cách giữa cực dương và cực âm, gây ra hiện tượng đoản mạch điện và làm giảm đáng kể độ bền của pin.
Dẫn đầu bởi Tiến sĩ Jung Hoon Yang và Tiến sĩ Chan-Woo Lee thuộc Khoa Nghiên cứu Lưu trữ Năng lượng tại Viện Nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc, nhóm nghiên cứu đã phát triển các hạt nano oxit đồng mới và ngăn chặn thành công sự hình thành dendrite trong pin ion kẽm dạng nước bằng công nghệ "bọt biển electron" có khả năng hấp thụ và giải phóng electron hiệu quả tại cực dương. Pin ion kẽm dạng nước kết hợp công nghệ này cho thấy độ bền cao gấp ba lần so với pin thông thường.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm một loạt các vật liệu ứng viên có đặc tính hợp kim kẽm, phân tích hiệu suất của chúng theo kích thước hạt. Kết quả là, họ phát hiện ra rằng các hạt nano oxit đồng thể hiện ái lực kẽm cao nhất.
Dựa trên điều này, nhóm nghiên cứu đã phát triển các hạt nano oxit đồng mới và áp dụng chúng vào pin ion kẽm dạng nước. Trong pin ion kẽm, electron gặp ion kẽm tại cực dương để tạo thành kẽm kim loại, do đó lưu trữ năng lượng. Các hạt nano oxit đồng hoạt động giống như một miếng bọt biển, hấp thụ electron nhanh chóng, cho phép kẽm lắng đọng đều xung quanh chúng. Sự hình thành kẽm đồng nhất này có hiệu quả ngăn chặn sự phát triển của các nhánh cây, thường phát sinh từ sự phát triển không đều của kẽm.
Trong quá trình xả, "miếng bọt biển" nhanh chóng giải phóng các electron, giống như việc ép nước từ miếng bọt biển, do đó thúc đẩy quá trình hòa tan kim loại kẽm và giảm thiểu lượng kẽm còn lại trên bề mặt anot. Cơ chế này ngăn kẽm còn sót lại phát triển thành các nhánh cây trong các chu kỳ sạc-xả lặp đi lặp lại.
Vật liệu điện cực gốc đồng oxit mới do nhóm nghiên cứu phát triển. Nguồn: Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc
Nhóm nghiên cứu đặt tên cho công nghệ này là "miếng bọt biển electron" và thông qua mô hình tính toán, đã chứng minh rằng nó cũng có thể giảm tổn thất năng lượng trong quá trình sạc pin. Khi áp dụng cho pin dòng chảy kẽm-polyiodide, một loại pin gốc kẽm dạng nước, không quan sát thấy sự hình thành nhánh cây ngay cả sau 2.500 chu kỳ sạc-xả.
So sánh với pin thông thường, pin thông thường thường bắt đầu phát triển các nhánh cây và hỏng sau khoảng 800 chu kỳ, cho thấy công nghệ mới có độ bền cao hơn gấp ba lần.
Ngoài ra, pin còn cho thấy hiệu suất cao, với tỷ lệ dung lượng sạc/xả là 98,7%. Pin cũng đạt được mật độ năng lượng là 180 Wh/L, cao hơn 30% so với pin dòng chảy kẽm-polyiodide đã báo cáo trước đó, giúp tăng đáng kể tiềm năng thương mại hóa của pin.
Tiến sĩ Jung Hoon Yang và Tiến sĩ Chan-Woo Lee, những người đứng đầu nhóm nghiên cứu tại KIER, tuyên bố: "Chúng tôi kỳ vọng nghiên cứu này sẽ tạo ra bước đột phá quan trọng cho quá trình phát triển pin kẽm thế hệ tiếp theo với hiệu suất cao và độ an toàn.
"Chúng tôi có kế hoạch nhanh chóng tiến hành xác thực hiệu suất ở quy mô thương mại bằng cách tích hợp vật liệu điện cực oxit đồng mới được phát triển vào hệ thống trình diễn pin dòng chảy kẽm-polyiodide loại 3,5 kW."
