Hình dạng mới cho lưu trữ năng lượng: Cấu trúc carbon hình nón và hình đĩa mở ra con đường mới cho pin ion natri
bởi Đại học Rice
Atin Pramanik, cộng sự sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Ajayan, đang kiểm tra nguyên mẫu pin. Tín dụng: Jeff Fitlow / Đại học Rice
Khi nhu cầu toàn cầu về xe điện và lưu trữ năng lượng tái tạo tăng vọt, nhu cầu về công nghệ pin giá cả phải chăng và bền vững cũng tăng theo. Một nghiên cứu mới đã giới thiệu một giải pháp sáng tạo có thể tác động đến các công nghệ lưu trữ năng lượng điện hóa.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials. Công trình này do các nhà nghiên cứu từ Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Nano tại Đại học Rice, cùng với các cộng tác viên từ Đại học Baylor và Viện Giáo dục và Nghiên cứu Khoa học Ấn Độ Thiruvananthapuram dẫn đầu.
Sử dụng sản phẩm phụ của ngành dầu khí, nhóm nghiên cứu đã làm việc với các vật liệu carbon có hình dạng độc đáo—hình nón và đĩa nhỏ—với cấu trúc than chì nguyên chất. Những dạng bất thường này được tạo ra thông qua quá trình nhiệt phân hydrocarbon có thể mở rộng quy mô có thể giúp giải quyết một thách thức lâu dài đối với cực dương trong nghiên cứu pin: làm thế nào để lưu trữ năng lượng bằng các nguyên tố như natri và kali, rẻ hơn nhiều và có sẵn rộng rãi hơn lithium.
"Trong nhiều năm, chúng tôi đã biết rằng natri và kali là những lựa chọn thay thế hấp dẫn cho lithium", tác giả liên hệ Pulickel Ajayan, Giáo sư Kỹ thuật Benjamin M. và Mary Greenwood Anderson tại Rice cho biết. "Nhưng thách thức luôn là tìm ra vật liệu cực dương gốc carbon có thể lưu trữ hiệu quả các ion lớn hơn này".
Phá vỡ rào cản than chì
Pin lithium-ion truyền thống dựa vào than chì làm vật liệu cực dương. Tuy nhiên, cùng một cấu trúc than chì không thành công khi nói đến natri hoặc kali. Các nguyên tử của chúng đơn giản là quá lớn và tương tác quá phức tạp để trượt vào và ra khỏi các lớp than chì được đóng gói chặt chẽ.
Nhưng bằng cách suy nghĩ lại về hình dạng của carbon ở cấp độ vi mô, nhóm nghiên cứu đã tìm ra giải pháp thay thế. Cấu trúc hình nón và đĩa cung cấp độ cong và khoảng cách chào đón các ion natri và kali mà không cần pha tạp hóa học (quá trình cố ý thêm một lượng nhỏ các nguyên tử hoặc phân tử cụ thể để thay đổi tính chất của chúng) hoặc các sửa đổi nhân tạo khác.
"Chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy các cấu trúc graphit cong tinh khiết này hoạt động tốt như thế nào", tác giả đầu tiên Atin Pramanik, một cộng sự tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Ajayan cho biết. "Ngay cả khi không có các nguyên tử dị hợp, chúng vẫn cho phép xen kẽ thuận nghịch các ion natri và thực hiện điều đó với ứng suất cấu trúc tối thiểu".
Bền, có thể mở rộng và xanh
Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, các hình nón và đĩa carbon lưu trữ khoảng 230 miliampe giờ điện tích trên mỗi gam (mAh/g) bằng cách sử dụng các ion natri và chúng vẫn giữ được 151 mAh/g ngay cả sau 2.000 chu kỳ sạc nhanh. Chúng cũng hoạt động tốt với pin kali-ion, nhưng hiệu suất không mạnh bằng pin natri.
Các kỹ thuật chụp ảnh tiên tiến như kính hiển vi điện tử truyền qua nhiệt độ thấp và cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn đã xác nhận rằng các ion đã đi vào và thoát ra khỏi cấu trúc cacbon như mong đợi và vật liệu này giữ nguyên hình dạng trong hàng nghìn chu kỳ sạc-xả.
"Đây là một trong những minh chứng rõ ràng đầu tiên về sự xen kẽ ion natri trong vật liệu than chì tinh khiết với độ ổn định như vậy", Pramanik cho biết. "Nó thách thức niềm tin rằng than chì tinh khiết không thể hoạt động với natri".
Những hàm ý rất rộng. Điều này không chỉ mở đường cho pin ion natri giá cả phải chăng hơn mà còn làm giảm sự phụ thuộc vào lithium, loại vật liệu đang ngày càng đắt đỏ và phức tạp về mặt địa chính trị để tìm nguồn cung ứng. Vì cacbon hình nón/đĩa có thể được tổng hợp từ các sản phẩm phụ của ngành dầu khí, nên nó cũng mở ra một con đường bền vững hơn để sản xuất anot pin.
Một bước ngoặt cho thiết kế pin
Trong khi hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung vào cacbon cứng hoặc vật liệu pha tạp, nghiên cứu mới này đánh dấu một bước ngoặt trong chiến lược—tập trung vào hình thái hơn là biến đổi hóa học.
"Chúng tôi tin rằng khám phá này mở ra một không gian thiết kế mới cho cực dương pin", Ajayan cho biết. "Thay vì thay đổi thành phần hóa học, chúng tôi đang thay đổi hình dạng và điều đó chứng tỏ cũng thú vị không kém".
"Chúng tôi không chỉ phát triển một vật liệu pin tốt hơn", Pramanik cho biết. "Chúng tôi đang cung cấp một con đường thực sự để lưu trữ năng lượng sạch hơn, rẻ hơn và có sẵn rộng rãi hơn cho tất cả mọi người".
Thông tin thêm: Atin Pramanik và cộng sự, Cực dương hình nón/đĩa than chì thay thế cho cacbon cứng cho pin ion Na/K, Vật liệu chức năng tiên tiến (2025). DOI: 10.1002/adfm.202505848
Thông tin tạp chí: Vật liệu chức năng tiên tiến
