Khuôn mẫu thành công: Định hình điện cực carbon cứng cho pin thế hệ tiếp theo
của Đại học Khoa học Tokyo
Có thể kết hợp các lỗ nano trong carbon cứng bằng cách sử dụng oxit kẽm làm khuôn trong quá trình tổng hợp. Những lỗ xốp này cho phép vật liệu lưu trữ nhiều hạt mang điện hơn, khiến nó trở thành ứng cử viên điện cực đầy triển vọng cho pin natri-ion có thể đạt mật độ năng lượng tương đương với mật độ năng lượng của pin lithium-ion loại LiFePO4. Nhà cung cấp hình ảnh: Shinichi Komaba, Đại học Khoa học Tokyo (TUS), Nhật Bản
Cho đến nay, pin lithium-ion (LIB) là loại pin sạc được sử dụng rộng rãi nhất, trải rộng trên nhiều ứng dụng. Chúng bao gồm điện tử tiêu dùng, xe điện, hệ thống năng lượng tái tạo và tàu vũ trụ.
Mặc dù LIB mang lại hiệu suất tốt nhất về nhiều mặt khi so sánh với các loại pin sạc khác nhưng chúng cũng có những nhược điểm. Lithium là một nguồn tài nguyên khá khan hiếm và giá của nó sẽ tăng nhanh khi lượng sẵn có ngày càng giảm trong tương lai. Hơn nữa, việc chiết xuất lithium và loại bỏ LIB không đúng cách đặt ra những thách thức lớn về môi trường vì chất điện phân lỏng thường được sử dụng trong chúng rất độc hại và dễ cháy.
Những thiếu sót của LIB đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới tìm kiếm các công nghệ lưu trữ năng lượng thay thế. Pin natri (Na)-ion (NIB) và pin kali-ion (KIB) là hai lựa chọn mới nổi nhanh chóng, tiết kiệm chi phí cũng như bền vững. Cả NIB và KIB đều được dự đoán sẽ trở thành những ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la vào cuối thập kỷ này.
Các chính phủ trên khắp thế giới, bao gồm cả Hoa Kỳ, Áo, Hồng Kông, Đức và Úc, đang thúc đẩy nghiên cứu và đổi mới trong lĩnh vực này. Hơn nữa, các công ty như Faradion Limited, TIAMAT SAS và HiNa Battery Technology Co. Ltd., đang đầu tư mạnh vào công nghệ này. Cả Contemporary Amperex Technology Co. Limited và Build Your Dreams đều dự kiến sẽ sớm giới thiệu bộ pin xe điện có NIB.
Tuy nhiên, thật không may, công suất của vật liệu điện cực được sử dụng trong NIB và KIB vẫn tụt hậu so với LIB. Trong bối cảnh đó, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Shinichi Komaba từ Khoa học Đại học Tokyo (TUS), Nhật Bản dẫn đầu, đã nỗ lực phát triển các vật liệu điện cực công suất cao mang tính đột phá cho NIB và KIB.
Trong nghiên cứu mới nhất được công bố trên Vật liệu Năng lượng Tiên tiến, họ báo cáo một chiến lược tổng hợp mới cho các điện cực "cacbon cứng" (HC) có cấu trúc nano mang lại hiệu suất chưa từng có. Nghiên cứu này được đồng tác giả bởi ông Daisuke Igarashi, bà Yoko Tanaka, Phó giáo sư trẻ Ryoichi Tatara từ TUS và Tiến sĩ Kei Kubota từ Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia (NIMS), Nhật Bản.
Nhưng HC là gì và tại sao nó lại hữu ích cho NIB và KIB? Không giống như các dạng carbon khác, chẳng hạn như graphene hoặc kim cương, HC là vô định hình; nó thiếu cấu trúc tinh thể được xác định rõ ràng. Ngoài ra, nó mạnh mẽ và có khả năng chống chịu.
Nguồn: Đại học Khoa học Tokyo
Trong một nghiên cứu trước đó vào năm 2021, Giáo sư Komaba và các đồng nghiệp đã tìm ra cách sử dụng magie oxit (MgO) làm khuôn trong quá trình tổng hợp các điện cực HC cho NIB, làm thay đổi cấu trúc nano cuối cùng của chúng. Quá trình này đã dẫn đến sự hình thành các lỗ nano bên trong các điện cực khi loại bỏ MgO, từ đó làm tăng đáng kể khả năng lưu trữ các ion Na+.
Được thúc đẩy bởi những phát hiện trước đó, các nhà nghiên cứu đã khám phá liệu các hợp chất làm từ kẽm (Zn) và canxi (Ca) cũng có thể hữu ích làm mẫu nano cho điện cực HC hay không. Để đạt được mục đích này, họ đã nghiên cứu một cách có hệ thống các mẫu HC khác nhau được tạo ra bằng oxit kẽm (ZnO) và canxi cacbonat (CaCO3), đồng thời so sánh hiệu suất của chúng với các mẫu được tổng hợp bằng cách sử dụng magie oxit (MgO).
Các thí nghiệm sơ bộ cho thấy ZnO đặc biệt hứa hẹn cho điện cực âm của NIB. Theo đó, các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa nồng độ ZnO nhúng trong ma trận HC trong quá trình tổng hợp, chứng minh khả năng thuận nghịch là 464 mAh g–1 (tương ứng với NaC4.8) với hiệu suất Coulombic ban đầu cao là 91,7% và thế năng trung bình thấp là 0,18 V so với Na+/Na.
Nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả đáng chú ý bằng cách kết hợp vật liệu điện cực mạnh mẽ này vào một cục pin thực tế.
Giáo sư Komaba cho biết: “NIB được chế tạo bằng cách sử dụng HC được tạo khuôn ZnO được tối ưu hóa làm điện cực âm cho thấy mật độ năng lượng là 312 Wh kg–1”. "Giá trị này tương đương với mật độ năng lượng của một số loại LIB hiện được thương mại hóa với LiFePO4 và than chì, đồng thời gấp hơn 1,6 lần mật độ năng lượng của NIB đầu tiên (192 Wh kg–1), mà phòng thí nghiệm của chúng tôi đã báo cáo vào năm 2011."
Đáng chú ý, HC khuôn mẫu ZnO cũng thể hiện dung lượng đáng kể là 381 mAh g–1 khi được tích hợp vào KIB, thể hiện rõ hơn tiềm năng của nó.
Kết hợp lại với nhau, kết quả của nghiên cứu này cho thấy rằng việc sử dụng các hạt nano vô cơ làm khuôn mẫu để kiểm soát cấu trúc lỗ rỗng có thể mang lại hướng dẫn hiệu quả cho sự phát triển của điện cực HC. "Phát hiện của chúng tôi chứng minh rằng HC là ứng cử viên đầy hứa hẹn ngày cho các điện cực âm thay thế cho than chì,” giáo sư Komaba kết luận.
Đổi lại, điều này có thể giúp NIB trở nên khả thi cho các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như phát triển các thiết bị điện tử tiêu dùng và xe điện bền vững cũng như hệ thống lưu trữ năng lượng ít phát thải carbon để lưu trữ năng lượng từ các trang trại năng lượng mặt trời và gió.
