Các nhà nghiên cứu đã cải thiện hiệu suất của các điện cực carbon cứng trong pin natri-ion bằng cách sử dụng chất kết dính axit polyfumaric mật độ chức năng cao mới.
Chất kết dính mật độ cao được sử dụng để phát triển các điện cực cacbon cứng trong nghiên cứu đã cải thiện đáng kể độ ổn định và khả năng hoạt động của pin natri-ion, mở đường cho việc thương mại hóa chúng. Nhà cung cấp hình ảnh: Noriyoshi Matsumi từ JAIST
Pin lithium-ion là công nghệ hàng đầu trong việc lưu trữ năng lượng, tuy nhiên nguồn cung hạn chế của lithium đặt ra nhiều thách thức. Khi nhu cầu về hệ thống lưu trữ năng lượng tăng lên, người ta nỗ lực tìm kiếm các vật liệu sẵn có và giá cả phải chăng cho pin sạc. Pin natri-ion (SIB) đã nổi lên như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, dựa trên nguồn natri dồi dào có trong nước biển và muối.
Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải tiến vật liệu cho điện cực dương (cực âm), điện cực âm (cực dương) và chất điện phân nhằm cải thiện độ ổn định trong chu kỳ dài và đạt được giao diện điện phân rắn mỏng (SEI) cho SIB. SEI là một lớp thụ động được hình thành trên bề mặt cực dương trong chu kỳ sạc/phóng điện ban đầu, giúp ngăn cực dương xuống cấp do phản ứng với chất điện phân.
SEI được hình thành tốt rất quan trọng đối với hiệu suất của pin. Trong bối cảnh này, carbon cứng (HC) đã nổi lên như một vật liệu làm cực dương đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, việc thương mại hóa nó gặp khó khăn vì nó tạo thành SEI không đồng đều, dày và yếu do mức tiêu thụ chất điện phân tăng lên, làm giảm độ ổn định sạc/xả và tốc độ phản ứng. Để giải quyết những vấn đề này, các chất kết dính như muối carboxymethyl cellulose, dẫn xuất poly(axit acrylic) và poly(vinylidene fluoride) (PVDF) đã được sử dụng. Tuy nhiên, các chất kết dính này gây ra sự khuếch tán chậm của các ion Na ở cực dương, dẫn đến khả năng tốc độ kém của SIB dựa trên HC.
Đột phá tại JAIST
Để khắc phục những thiếu sót này, Giáo sư Noriyoshi Matsumi và Nghiên cứu sinh Tiến sĩ Amarshi Patra từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) đã phát triển cực dương HC sử dụng chất kết dính poly(fumaric acid) (PFA). Phát hiện của họ được công bố vào ngày 10 tháng 5 năm 2024, trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A.
Giải thích về lợi ích của PFA, Giáo sư Matsumi cho biết: “Không giống như chất kết dính poly (axit acrylic) thông thường, PFA là một loại polymer có mật độ chức năng cao với axit cacboxylic có trên tất cả các nguyên tử carbon của chuỗi chính. Điều này cho phép PFA cải thiện khả năng khuếch tán ion Na do sự hiện diện của các vị trí nhảy ion tập trung cao độ và bám dính vào điện cực mạnh hơn. Ngoài ra, chất kết dính PFA có khả năng hòa tan trong nước và không độc hại, đồng thời tiền chất của nó, axit fumaric, là một loại polyme sinh học.”
Chất kết dính axit polyfumaric cải thiện tốc độ khuếch tán của các ion và độ bám dính với bộ thu hiện tại của cực dương cacbon cứng trong pin natri-ion, mang lại độ ổn định chu kỳ tuyệt vời và công suất riêng. Nhà cung cấp hình ảnh: Noriyoshi Matsumi từ JAIST
Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp PFA thông qua quá trình thủy phân poly(fumarate ester). Tiếp theo, họ trộn HC, Super P carbon và PFA trong nước để tạo thành hỗn hợp nước, được phủ lên một lá đồng và sấy khô qua đêm để tạo ra cực dương HC. Cực dương này, cùng với một đĩa kim loại natri làm điện cực đếm và NaClO 4 1,0 M làm chất điện phân, được sử dụng để chế tạo một nửa tế bào loại cực dương.
Các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm bóc tách để kiểm tra tác động của chất kết dính lên độ bám dính giữa các thành phần điện cực và bộ thu dòng đồng. Đáng chú ý, để SIB có tuổi thọ cao cần có độ bám dính cao. Lực bóc tách của chất kết dính PFA chứa điện cực HC được tìm thấy là 12,5 N, cao hơn đáng kể so với điện cực poly(acrylic)-HC với 11,5 N và điện cực PVDF-HC với lực bóc 9,8 N.
Nửa tế bào cực dương đã phải trải qua nhiều thử nghiệm điện hóa và hiệu suất pin khác nhau. Trong các thử nghiệm chu trình sạc/xả, nửa tế bào anode cho thấy dung lượng riêng lần lượt là 288 mAhg -1 và 254 mAhg -1 ở mật độ hiện tại lần lượt là 30 mAg -1 và 60 mAg -1 , tốt hơn đáng kể so với PVDF và poly(axit acrylic) )-loại điện cực. Nó cũng cho thấy độ ổn định chu kỳ dài tuyệt vời, giữ được 85,4% công suất sau 250 chu kỳ. Cực dương tạo thành một SEI mỏng và không biểu hiện sự hình thành vết nứt hoặc bong tróc, điều này góp phần nâng cao độ bền của nửa tế bào. Hơn nữa, hệ số khuếch tán ion Na cho điện cực PFA-HC là 1,9×10 -13 cm 2 /s, cao hơn so với các điện cực poly(acrylic acid)-HC và PVDF-HC.
Ý nghĩa và kết luận trong tương lai
Những phát hiện này có thể dẫn đến sự phát triển của SIB với hiệu suất điện hóa được cải thiện. Nhìn về tương lai, Giáo sư Matsumi cho biết: “Trong vật liệu polyme này, có thể thực hiện nhiều sửa đổi cấu trúc khác nhau thông qua các phản ứng polyme khác nhau, điều này có thể cải thiện hiệu suất hơn nữa. Trong tương lai, chúng tôi mong muốn tiến hành nghiên cứu chung với các công ty để triển khai thương mại. Ngoài ra, là vật liệu kết dính hòa tan trong nước và không độc hại giúp cải thiện độ bền, nó không chỉ có thể được ứng dụng trong SIB mà còn trong nhiều thiết bị lưu trữ năng lượng.”
Nhìn chung, vật liệu mới này có thể dẫn đến việc sử dụng rộng rãi hơn các thiết bị năng lượng giá rẻ dựa trên SIB, dẫn đến một xã hội tiết kiệm năng lượng hơn và trung hòa carbon hơn.
Tham khảo: “Chất kết dính poly(hydroxycarbonylmethylene) có chức năng đậm đặc hòa tan trong nước dành cho pin natri-ion dựa trên cực dương cacbon cứng hiệu suất cao hơn” của Amarshi Patra và Noriyoshi Matsumi, ngày 10 tháng 5 năm 2024, Tạp chí Hóa học Vật liệu A.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao và Công nghệ (MEXT), Nhật Bản.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
