Cực âm ion natri hiệu suất cao mở đường cho giải pháp thay thế pin lithium-ion
bởi Đại học Princeton
Đồ họa tạp chí cho thấy sự phát triển của vật liệu cực âm hữu cơ nhiều lớp. Tín dụng: Phòng thí nghiệm Dinca / Đại học Princeton
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tìm cách chống lại sự phụ thuộc của chúng ta vào pin lithium-ion. Những loại pin sạc truyền thống này cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử tiêu dùng phổ biến nhất hiện nay—từ máy tính xách tay đến điện thoại di động đến ô tô điện. Nhưng lithium thô rất đắt và thường có nguồn gốc từ các mạng lưới địa chính trị mong manh.
Nhóm Dincă của Đại học Princeton đã công bố một giải pháp thay thế thú vị dựa trên vật liệu cực âm hữu cơ, năng lượng cao để sản xuất pin natri-ion, thúc đẩy khả năng công nghệ này sẽ được thương mại hóa với các thành phần an toàn, rẻ hơn và bền vững hơn.
Công trình này được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Mặc dù các nhà khoa học đã đạt được một số tiến bộ với pin natri-ion, nhưng những rào cản chủ yếu nảy sinh do mật độ năng lượng thấp của chúng: Chúng có thời gian chạy pin ngắn hơn so với kích thước của chúng. Mật độ công suất cao, liên quan đến sản lượng, cũng là yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng. Đạt được mật độ năng lượng cao và mật độ công suất cao đồng thời là một thách thức liên tục đối với các loại pin thay thế.
Nhưng vật liệu catốt do Tập đoàn Dincă đưa ra, một chất rắn hữu cơ dạng lớp gọi là bis-tetraaminobenzoquinone (TAQ), vượt trội hơn catốt lithium-ion truyền thống về cả mật độ năng lượng và công suất trong một công nghệ thực sự có thể mở rộng.
Nghiên cứu của họ có tiềm năng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng quy mô lớn như trung tâm dữ liệu, lưới điện và hệ thống năng lượng tái tạo quy mô thương mại, ngoài xe điện.
"Mọi người đều hiểu những thách thức đi kèm với việc có nguồn lực hạn chế cho một thứ quan trọng như pin và lithium chắc chắn được coi là 'hạn chế' theo một số cách", Mircea Dincă, Giáo sư Hóa học Alexander Stewart 1886 cho biết.
"Luôn tốt hơn khi có danh mục đầu tư đa dạng cho các vật liệu này. Natri có mặt ở khắp mọi nơi. Đối với chúng tôi, việc theo đuổi các loại pin được sản xuất từ các nguồn tài nguyên thực sự dồi dào như vật chất hữu cơ và nước biển là một trong những ước mơ nghiên cứu lớn nhất của chúng tôi.
"Mật độ năng lượng là điều mà nhiều người nghĩ đến vì bạn có thể so sánh nó với lượng điện năng bạn có trong pin. Mật độ năng lượng càng cao, xe của bạn càng đi được xa trước khi bạn phải sạc lại. Chúng tôi đã trả lời khá dứt khoát rằng vật liệu mới mà chúng tôi phát triển có mật độ năng lượng lớn nhất, chắc chắn là trên cơ sở mỗi kilôgam và cạnh tranh với các vật liệu tốt nhất hiện có ngay cả trên cơ sở thể tích.
"Việc đi đầu trong việc phát triển một loại catốt hoặc pin ion natri thực sự bền vững và tiết kiệm chi phí thực sự là điều thú vị."
Đang tiến gần đến công suất tối đa lý thuyết
Phòng thí nghiệm đã nhấn mạnh những lợi thế của TAQ một năm trước khi họ lần đầu tiên báo cáo về tiện ích của nó trong việc sản xuất pin lithium-ion trên ACS Central Science. Các nhà nghiên cứu chỉ đơn giản là tiếp tục điều tra tiềm năng của nó, đặc biệt là khi họ phát hiện ra TAQ hoàn toàn không hòa tan và có độ dẫn điện cao, hai lợi thế kỹ thuật chính đối với vật liệu catốt hữu cơ. Catốt là thành phần thiết yếu của tất cả các thiết bị phân cực.
Vì vậy, họ đã nỗ lực chế tạo pin ion natri hữu cơ bằng cùng một vật liệu, TAQ. Quá trình này mất khoảng một năm, vì các nhà nghiên cứu phải điều chỉnh một số nguyên tắc thiết kế không thể chuyển từ công nghệ lithium-ion.
Cuối cùng, kết quả đã vượt quá mong đợi của họ. Hiệu suất catốt của họ gần với một chuẩn mực được gọi là công suất tối đa lý thuyết.
"Chất kết dính mà chúng tôi chọn, ống nano carbon, tạo điều kiện cho việc trộn lẫn các tinh thể TAQ và các hạt carbon đen, tạo ra một điện cực đồng nhất", Tiến sĩ Dincă Group và là tác giả đầu tiên của bài báo, Tianyang Chen cho biết. "Các ống nano carbon bao bọc chặt chẽ các tinh thể TAQ và kết nối chúng lại với nhau. Cả hai yếu tố này đều thúc đẩy quá trình vận chuyển electron trong khối điện cực, cho phép sử dụng vật liệu hoạt động gần như 100%, dẫn đến công suất tối đa gần như lý thuyết.
"Việc sử dụng các ống nano carbon cải thiện đáng kể hiệu suất tốc độ của pin, nghĩa là pin có thể lưu trữ cùng một lượng năng lượng trong thời gian sạc ngắn hơn nhiều hoặc có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng thời gian sạc".
Chen cho biết lợi ích của TAQ với tư cách là vật liệu catốt cũng bao gồm tính ổn định của nó trước không khí và độ ẩm, tuổi thọ cao, khả năng chịu được nhiệt độ cao và tính bền vững với môi trường.
