Hé lộ những bí ẩn về điện áp hoạt động của pin lithium-carbon dioxide
bởi Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc
Sơ đồ và hiệu suất của hệ thống thử nghiệm. Ảnh: Xiao Xu et al.
Một nhóm do Giáo sư Tan Peng từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) dẫn đầu đã mở rộng hiểu biết của chúng ta về điện áp hoạt động của pin lithium-carbon dioxide (Li-CO2), đưa ra một chiến lược mới cho thế hệ pin Li tiếp theo. -pin CO2. Công trình của họ đã được xuất bản trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.
Pin Li-CO2 có thể biến CO2 thành cacbonat và cacbon trong khi tạo ra năng lượng điện, do đó có lợi thế về cả lưu trữ năng lượng và sử dụng CO2. Các nghiên cứu trước đây thường báo cáo rằng điện áp hoạt động của pin Li-CO2 là khoảng 2,6 V, tương tự như của pin Li-O2. Tuy nhiên, giả định này đang phải đối mặt với những câu hỏi ngày càng tăng về việc liệu phản ứng khử CO2 chậm (CO2RR) có thể tạo ra điện áp cao như vậy hay không.
Để làm sáng tỏ câu hỏi trên, nhóm của Giáo sư Tan Peng đã xây dựng một hệ thống thử nghiệm điện hóa cho pin Li-flow CO2, đảm bảo môi trường CO2 tinh khiết. Điện cực ống nano cacbon (CNT), ống nano cacbon nạp chất xúc tác (RuO2/CNT) và ống nano không cacbon (RuO2/NiO) đều chỉ ra rằng pin Li-CO2 hoạt động ở khoảng 1,1 V và tỷ lệ CO2RR thấp hơn nhiều so với phản ứng khử oxi. Nhóm nghiên cứu đã xác định thế cân bằng là khoảng 2,82 V bằng cách sử dụng kỹ thuật chuẩn độ gián đoạn dòng điện tĩnh.
Sau khi phân tích sản phẩm, nhóm đề xuất rằng các sản phẩm phóng điện ở 1,1 V là hỗn hợp của Li2CO3 tinh thể, Li2CO3 vô định hình và C vô định hình, xác minh cơ chế chuyển bốn electron (Li++ CO2+ 4e−→ Li2CO3+ C). Về mặt lý thuyết, cơ chế này dự đoán điện thế cân bằng là 2,8 V, phù hợp với kết quả thử nghiệm.
Phân tích sản phẩm cho thấy quá trình chuyển bốn điện tử diễn ra chậm, phù hợp với đặc điểm của hệ thống điện áp thấp và CO2 trơ.
Ngoài ra, bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), nhóm đã phát hiện ra rằng dưới sự chiếu xạ của chùm điện tử, các hạt nhỏ trong sản phẩm bắt đầu phát triển thông qua quá trình thực bào của vật liệu vô định hình và bắt đầu hợp nhất với các hạt khác. Trong quá trình này, chất vô định hình chuyển dần sang trạng thái tinh thể. Do đó, ảnh TEM trong một số nghiên cứu trước đây có lẽ không phải là sản phẩm phóng điện tự nhiên mà là sản phẩm của bức xạ chùm tia điện tử.
Để tìm ra nguồn gốc của điện áp cao, nhóm nghiên cứu đã điều tra thêm về tác động của các thành phần không khí tách rời và điều kiện hoạt động đối với hiệu suất của pin. Khi tăng mức điện áp ổn định lên 1,8-2,0 V bằng 1% O2 và 500 ppm H2O, nhóm đã không phát hiện các sản phẩm phụ như LiOH và Li2O2 trong các sản phẩm phóng điện.
Tuy nhiên, hình thái và độ kết tinh của Li2CO3 cho thấy sự khác biệt đáng kể. O2 và H2O đã hạ thấp hàng rào thế năng và giảm bớt sự thụ động của điện cực bằng cách thay đổi lộ trình tạo ra Li2CO3, do đó đẩy nhanh phản ứng và nâng cao điện áp phóng điện. Dựa trên phân tích tách rời, dư lượng không khí nhỏ hoặc rò rỉ trong thiết bị thử nghiệm có thể dẫn đến các trạng thái ổn định điện áp cao hơn và cực kỳ khó phát hiện.
Nghiên cứu này gợi ý rằng để phát triển pin Li-CO2 thế hệ tiếp theo, các nhà nghiên cứu cần tiến hành nghiên cứu cơ chế trong môi trường CO2 tinh khiết và phát triển các thành phần tương thích như chất xúc tác, chất điện phân và điện cực.
