Pin lithium-lưu huỳnh chưa bao giờ phát huy hết tiềm năng của chúng như là thế hệ pin tái tạo tiếp theo cho xe điện và các thiết bị khác. Nhưng kỹ sư cơ khí SMU Donghai Wang và nhóm nghiên cứu của ông đã tìm ra cách để làm cho những loại pin Li-S này có tuổi thọ lâu hơn—với mức năng lượng cao hơn—so với các loại pin tái tạo hiện có.
Thiết kế hợp lý và đặc điểm của mạng lưới S-HYB. Tín dụng: Nature Sustainability (2024). DOI: 10.1038/s41893-024-01453-0
Nhóm nghiên cứu đã có thể ngăn chặn pin Li-S tạo ra tác dụng phụ không mong muốn được gọi là hòa tan polysulfide xuất hiện theo thời gian, làm giảm tuổi thọ của pin.
"Bước đột phá này có thể dẫn đến những loại pin bền hơn, lâu dài hơn", Wang, Chủ tịch Quỹ Brown về Kỹ thuật cơ khí và Giáo sư Kỹ thuật cơ khí tại SMU Lyle cho biết. Nghiên cứu của ông tập trung vào thiết kế và tổng hợp các vật liệu chức năng có cấu trúc nano và công nghệ lưu trữ năng lượng như pin Li-ion và ngoài công nghệ Li-ion.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Sustainability cho thấy cực âm mạng lưới polyme lai mới được nhóm nghiên cứu phát triển cho phép pin Li-S cung cấp hơn 900 mAh/g (milliampere-giờ trên một gam khối lượng), so với dung lượng 150–250 mAh/g thông thường trong pin lithium-ion. Điều đó có nghĩa là nó có thể lưu trữ lượng năng lượng điện cao hơn nhiều.
"Nó cũng mang lại độ ổn định chu kỳ tuyệt vời - vượt trội hơn pin lithium-lưu huỳnh thông thường", Wang cho biết.
Khả năng chu kỳ đo số lần pin có thể sạc và xả trước khi khả năng của pin giảm mạnh. Khả năng chu kỳ cao hơn có nghĩa là pin có tuổi thọ dài hơn.
Hỗ trợ Wang thiết kế cực âm là các nhà nghiên cứu từ Đại học bang Pennsylvania, Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương, Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, Đại học Illinois tại Chicago và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne.
Một giải pháp tiết kiệm chi phí cung cấp nhiều năng lượng hơn
Điều khiến pin Li-S trở thành nguồn năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn là chúng tiết kiệm chi phí hơn và có thể chứa nhiều năng lượng hơn so với pin sạc ion truyền thống.
Nhưng có một vấn đề chính với những loại pin này.
"Trong nhiều năm qua, cộng đồng sản xuất pin đã phải vật lộn để giảm thiểu những tác động tiêu cực của quá trình hòa tan polysulfide", Wang cho biết.
Tất cả các loại pin đều có cực dương và cực âm. Bên trong pin, phản ứng hóa học liên tục xảy ra giữa hai cực này cung cấp năng lượng hoặc điện cho pin.
Trong trường hợp pin Li-S, một điện cực dương hoặc cực dương chứa lưu huỳnh được gọi là catốt được ghép nối với một điện cực âm kim loại lithium được gọi là anode. Ở giữa các thành phần đó là chất điện phân hoặc chất cho phép các ion đi qua giữa hai đầu của pin.
Tuy nhiên, lưu huỳnh không phải là vật liệu lý tưởng để làm điện cực.
Khi các ion lithium liên kết với các nguyên tử lưu huỳnh ở catốt, chúng tạo ra các phân tử polysulfide hòa tan trôi vào chất điện phân, gây ra sự phân hủy catốt và làm giảm khả năng chịu đựng nhiều chu kỳ sạc của pin. Hiện tượng này được gọi là sự hòa tan polysulfide.
Wang và nhóm của ông đã tìm ra cách khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng cái mà họ gọi là cực âm mạng lưới polyme lai.
"Cực âm của chúng tôi sử dụng nhiều dây liên kết lưu huỳnh, hấp phụ nguyên tử và vận chuyển ion Li-ion/electron nhanh ở cấp độ phân tử", Wang giải thích. "Sự kết hợp này cho phép liên kết lại và hấp phụ theo thời gian thực của bất kỳ loài lưu huỳnh nào không liên kết, do đó loại bỏ hiệu quả các polysulfide hòa tan và kéo dài tuổi thọ chu kỳ của pin".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
