Nghiên cứu pin polymer-không khí điều tra các giải pháp lưu trữ năng lượng tiên tiến
của Raven Wuebker, Đại học Kỹ thuật Texas A&M
Nhà cung cấp: Joule (2023). DOI: 10.1016/j.joule.2023.08.009
Pin polymer-không khí thường phải đối mặt với những thách thức liên quan đến độ ổn định, động học và độ dẫn điện. Để đáp lại, Tiến sĩ Jodie Lutkenhaus đã phát triển một phương pháp sử dụng polyme làm cực dương trong các loại pin này.
Trong một bài báo gần đây đăng trên tạp chí Joule, Lutkenhaus, phó giáo sư phụ trách kỹ thuật hóa học và hợp tác nội bộ tại Đại học Texas A&M, đã cộng tác với giáo sư kỹ thuật hóa học, Tiến sĩ Abdoulaye Djire để tiết lộ cách các polyme này lưu trữ và trao đổi điện tích với chất điện phân.
Lutkenhaus cho biết: "Cực âm phản ứng với oxy từ không khí để hoàn thành mạch điện. Chúng tôi đặc biệt nhắm mục tiêu sử dụng polyme liên hợp có cấu trúc xương sống cứng cho cực dương".
Bà cho biết những đặc điểm này làm cho polyme vừa dẫn điện vừa ổn định, tạo điều kiện cho các phản ứng thuận nghịch cần thiết cần thiết cho quá trình sạc và xả lặp đi lặp lại.
Bài báo nêu rõ, bất chấp những lợi ích của pin polyme-không khí, bao gồm cải thiện độ an toàn, giảm chi phí, độ dẫn ion cao hơn và tính bền vững, hiệu suất điện hóa của chúng vẫn còn hạn chế.
Các nhà nghiên cứu viết: “Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã khám phá các cực dương polymer thay thế, có một số ưu điểm so với cực dương kim loại, bao gồm chi phí thấp, dễ chức năng hóa và độ ổn định cao”.
Cấu trúc bậc thang cứng nhắc, động học nhanh và độ dẫn điện cao cho phép pin trải qua 500 chu kỳ mà hiệu suất bị giảm ở mức tối thiểu. Ngoài ra, bài báo còn tiết lộ cơ chế truyền điện tích theo thời gian thực, thể hiện quá trình bù điện tích ion hydronium nhanh.
Bài báo lưu ý rằng pin kim loại-không khí có mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion thông thường. Điều này là do cực âm oxy, có công suất cao hơn nhiều so với cực âm oxit kim loại thông thường. Tuy nhiên, bài báo nêu ra những hạn chế trong việc sử dụng cực dương kim loại trong pin không khí do tính ổn định, giá thành và tác động đến môi trường của việc khai thác, chế biến tài nguyên kim loại.
Các vấn đề như đuôi gai, sự thụ động và ăn mòn trên cực dương kim loại dẫn đến hiệu suất sử dụng thấp và độ ổn định chu trình kém hơn trong pin kim loại-không khí. Mặc dù đã áp dụng công thức cải tiến bề mặt và chất điện phân nhưng những vấn đề này có thể nghiêm trọng khi có oxy từ không khí.
Lutkenhaus cho biết: “Pin polymer-không khí cung cấp một phương tiện lưu trữ năng lượng thay thế so với pin kim loại-không khí”. "Pin polyme-không khí có dung lượng lưu trữ năng lượng cao và tuổi thọ rất dài."
Cô giải thích rằng tuổi thọ dài có nghĩa là mọi người có thể sử dụng pin lâu hơn trước khi phải sạc lại hoặc thay pin.
Lutkenhaus cho biết: “Pin trên không hứa hẹn sẽ là loại pin năng lượng cao vì chúng có khối lượng thấp hơn so với pin thông thường”. "Tuy nhiên, hoạt động lâu dài của pin chạy bằng không khí thường tạo ra cặn cacbonat làm tắc nghẽn pin và cản trở hoạt động lâu dài. Bằng cách sử dụng polyme làm điện cực, chúng tôi có thể thay đổi chất điện phân để ngăn chặn sự hình thành cacbonat ."
