Dung lượng pin là một trong những điểm nghẽn chính trong việc lưu trữ năng lượng tái tạo hiệu quả và giảm đáng kể lượng khí thải carbon. Là cực dương của pin giải phóng các electron trong pin lithium-ion (LIB), hợp kim thiếc (Sn) và hỗn hợp Sn về mặt lý thuyết có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn ở mật độ cao hơn so với các cực dương dựa trên carbon thông thường hơn.
Cực dương Sn-Ti-EG duy trì công suất 345 mAh g -1 (đường màu xanh) ở mật độ dòng điện là 1,0 A g -1 sau 700 chu kỳ sạc-xả. Khung kim loại-hữu cơ (MOF) của cực dương Sn-Ti-EG giảm thiểu các vấn đề ổn định điển hình của cực dương hợp kim Sn và Sn xảy ra do sự giãn nở trong chu kỳ phóng điện. Nguồn: Vật liệu và Thiết bị Năng lượng, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Việc ghép nối phần tử lưỡng kim Sn-Ti với ethylene glycol (Sn-Ti-EG) rẻ tiền sẽ giảm thiểu nhiều thách thức khi sử dụng Sn làm vật liệu cực dương và tạo ra LIB rẻ tiền với đặc tính hiệu suất và lưu trữ tuyệt vời.
Hợp kim Sn và Sn, hoặc hỗn hợp kim loại khác với Sn, có thể hoạt động tốt hơn các vật liệu cực dương khác nhưng có độ ổn định kém do sự giãn nở của kim loại trong quá trình sạc và phóng điện. Một cách để khắc phục hạn chế này là tạo ra khung kim loại-hữu cơ (MOF) duy trì sự truyền điện tử nhanh (dòng năng lượng) đồng thời mang lại sự ổn định tốt trong quá trình sạc và nạp lại.
Các nhà khoa học vật liệu gần đây đã tạo ra hợp chất hữu cơ lưỡng kim MOF Sn-Ti-EG có khả năng dẫn điện cao, công suất năng lượng và độ ổn định thông qua nhiều chu kỳ sạc và xả.
Các nhà nghiên cứu đã công bố nghiên cứu của họ trên tạp chí Vật liệu và Thiết bị Năng lượng vào ngày 20 tháng 11.
"Những nỗ lực đáng kể đã hướng tới việc phát triển vật liệu cực âm và cực dương công suất cao cho LIB mật độ năng lượng cao. Bởi vì công suất của các vật liệu cực âm nổi tiếng, ví dụ, LiFePO 4 , oxit lớp giàu Ni và LiMn 2 O 4 , đã có đã đạt đến giới hạn lý thuyết, người ta đang tập trung nhiều hơn vào việc tìm kiếm vật liệu cực dương có mật độ năng lượng cao để thay thế cho cực dương than chì thường được sử dụng có công suất lý thuyết và mật độ vòi tương đối thấp", Zhen-Dong Huang, tác giả cấp cao của nghiên cứu cho biết. nghiên cứu và giáo sư tại Phòng thí nghiệm trọng điểm nhà nước về hiển thị thông tin và điện tử hữu cơ & Phòng thí nghiệm trọng điểm Giang Tô về cảm biến sinh học tại Đại học Bưu chính Viễn thông Nam Kinh ở Nam Kinh, Trung Quốc.
Cụ thể, cực dương được làm từ than chì, một dạng tinh thể của carbon, có công suất lý thuyết là 372 mAh g -1 , đề cập đến lượng điện tích (milliampe giờ hoặc mAh) mà vật liệu có thể cung cấp trên mỗi gram (g -1 ) vật chất đó. Ngược lại, kim loại Sn, bismuth (Bi) và antimon (Sb) có điện dung lý thuyết cao hơn cực dương than chì. Ví dụ, cực dương Sn có dung lượng lý thuyết là 994 mAh g -1 , nhưng gặp vấn đề về độ ổn định do giãn nở.
"Để giải quyết các vấn đề về độ ổn định liên quan đến cực dương Sn, vô số chiến lược đã được khám phá, bao gồm giảm thiểu kích thước hạt, đưa kim loại trơ vào và lắp ráp bằng vật liệu carbon. Hơn nữa, các cấu trúc được thiết kế hợp lý, chẳng hạn như cấu trúc rỗng, nhiều lớp và lõi-vỏ đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm bớt sự mở rộng khối lượng.
"Mặc dù các chiến lược này giúp ổn định chu kỳ ở một mức độ nhất định, nhưng… mật độ năng lượng của cực dương dựa trên cấu trúc nano Sn thường thấp. Ngược lại, các khung hữu cơ-kim loại có cấu trúc xốp nội tại không chỉ cung cấp một số lượng lớn các vị trí hoạt động mà còn cho phép thâm nhập chất điện phân và chuyển electron/ion nhanh chóng”, Huang nói.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một MOF độc đáo được tạo thành từ Sn, Ti và EG, tận dụng các đặc tính có lợi của từng thành phần để tạo ra vật liệu cực dương ổn định hơn với hiệu suất điện hóa cao. Ví dụ, EG đóng vai trò là cầu nối hữu cơ giữa các ion Sn 2+ và Ti 4+ tích điện dương để hoàn thiện mạch pin. Ti còn góp phần cải thiện cấu trúc và độ ổn định của vật liệu. Sn đóng góp công suất lý thuyết cao hơn, cải thiện hiệu suất điện hóa của vật liệu làm cực dương.
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một vật liệu cực dương LIB mới, rẻ tiền, duy trì công suất riêng cao 345 mAhg -1 ở mật độ dòng điện 1.000 mA g -1 sau 700 chu kỳ, điều này chứng tỏ tính ổn định của vật liệu cực dương. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét xác nhận vật liệu cực dương không có vết nứt sau 700 chu kỳ.
Phân tích sâu hơn về vật liệu cực dương Sn-Ti-EG cho thấy rằng sự tương tác mạnh mẽ giữa các loại Sn và carbon-oxy là nguyên nhân tạo ra công suất riêng cao và độ ổn định chu kỳ tuyệt vời của điện cực, điều này có thể giúp các nhà nghiên cứu trong tương lai thiết kế các vật liệu cực dương bổ sung có công suất tương tự. đặc trưng. Nhóm nghiên cứu coi tiến bộ mới nhất này về công suất dành riêng cho cực dương là bước đệm cho các vật liệu LIB bổ sung có thể cải thiện khả năng lưu trữ pin và được sản xuất hiệu quả ở quy mô lớn.
