Trong thập kỷ qua, muối đá hỗn tạp đã được nghiên cứu như một vật liệu catốt đột phá tiềm năng để sử dụng trong pin lithium-ion và là chìa khóa để tạo ra kho lưu trữ năng lượng cao, chi phí thấp cho mọi thứ, từ điện thoại di động đến xe điện cho đến kho lưu trữ năng lượng tái tạo.
Một minh họa nghệ thuật về sự tích hợp giữa hai cấu trúc catốt pin riêng biệt, muối đá (polyhedra màu xanh) và olivin polyanion (polyhedra màu đỏ/vàng). Một cấu trúc lai mới lạ thu được bằng cách tích hợp polyanion (polyhedra màu vàng) vào cấu trúc muối đá (polyhedra màu xanh). Tín dụng: Yimeng Huang/Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
Một nghiên cứu mới của MIT đang đảm bảo vật liệu này thực hiện được lời hứa đó.
Dưới sự chỉ đạo của Ju Li, Giáo sư Kỹ thuật hạt nhân tại Công ty Điện lực Tokyo và giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, một nhóm các nhà nghiên cứu đã mô tả một loại catốt muối đá hỗn loạn một phần mới, tích hợp với polyanion—được gọi là spinel đa anion muối đá hỗn loạn hay DRXPS—mang lại mật độ năng lượng cao ở điện áp cao với độ ổn định chu kỳ được cải thiện đáng kể.
Yimeng Huang, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, đồng thời là tác giả đầu tiên của bài báo mô tả công trình được công bố trên tạp chí Nature Energy ngày hôm nay, cho biết: "Thông thường, có sự đánh đổi giữa mật độ năng lượng và độ ổn định của vật liệu catốt… và với công trình này, chúng tôi muốn mở rộng phạm vi bằng cách thiết kế các thành phần hóa học catốt mới " .
"Họ vật liệu này có mật độ năng lượng cao và độ ổn định chu kỳ tốt vì nó tích hợp hai loại vật liệu catốt chính là muối đá và olivin đa anion, do đó nó có lợi ích của cả hai."
Điều quan trọng, Li nói thêm, là nhóm vật liệu mới này chủ yếu bao gồm mangan, một nguyên tố có nhiều trên trái đất và rẻ hơn đáng kể so với các nguyên tố như niken và coban, thường được sử dụng trong catốt ngày nay.
"Mangan rẻ hơn niken ít nhất năm lần và rẻ hơn coban khoảng 30 lần", Li nói. "Mangan cũng là một trong những chìa khóa để đạt được mật độ năng lượng cao hơn, vì vậy, việc có nhiều vật liệu này trong đất hơn là một lợi thế to lớn.
Một con đường khả thi cho cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo
Li và các đồng tác giả viết rằng lợi thế đó sẽ đặc biệt quan trọng khi thế giới đang tìm cách xây dựng cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo cần thiết cho tương lai ít hoặc không có carbon.
Pin là một phần đặc biệt quan trọng của bức tranh đó, không chỉ vì tiềm năng khử cacbon của chúng trong giao thông bằng ô tô , xe buýt và xe tải điện, mà còn vì chúng rất cần thiết để giải quyết các vấn đề không liên tục của năng lượng gió và mặt trời bằng cách lưu trữ năng lượng dư thừa, sau đó đưa trở lại lưới điện vào ban đêm hoặc vào những ngày lặng gió, khi sản lượng điện tái tạo giảm.
Họ viết rằng, do chi phí cao và tính khan hiếm tương đối của các vật liệu như coban và niken, những nỗ lực nhằm nhanh chóng mở rộng khả năng lưu trữ điện có thể dẫn đến tình trạng chi phí tăng đột biến và thiếu hụt vật liệu đáng kể.
"Nếu chúng ta muốn có sự điện khí hóa thực sự trong sản xuất năng lượng, vận chuyển và nhiều thứ khác, chúng ta cần pin dự trữ trên trái đất để lưu trữ năng lượng quang điện và năng lượng gió không liên tục", Li nói. "Tôi nghĩ đây là một trong những bước tiến tới giấc mơ đó".
Quan điểm đó cũng được chia sẻ bởi Gerbrand Ceder, Giáo sư danh dự của Samsung về nghiên cứu khoa học nano và công nghệ nano, đồng thời là giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học California ở Berkeley.
"Pin lithium-ion là một phần quan trọng của quá trình chuyển đổi năng lượng sạch", Ceder nói. "Sự tăng trưởng liên tục và giá giảm của chúng phụ thuộc vào sự phát triển của vật liệu catốt hiệu suất cao, giá rẻ được làm từ vật liệu dồi dào trên trái đất, như được trình bày trong công trình này".
Vượt qua những trở ngại trong vật liệu hiện có
Nghiên cứu mới giải quyết một trong những thách thức lớn mà catốt muối đá không đồng đều phải đối mặt—khả năng di chuyển của oxy.
Mặc dù vật liệu này từ lâu đã được công nhận là có khả năng cung cấp công suất rất cao - lên tới 350 miliampe-giờ trên một gam - so với vật liệu catốt truyền thống, thường có công suất từ 190 đến 200 miliampe-giờ trên một gam, nhưng chúng lại không ổn định lắm.
Công suất cao được đóng góp một phần bởi quá trình oxy hóa khử oxy, được kích hoạt khi cực âm được tích điện ở điện áp cao. Nhưng khi điều đó xảy ra, oxy trở nên di động, dẫn đến phản ứng với chất điện phân và sự phân hủy của vật liệu, cuối cùng khiến nó trở nên vô dụng sau một chu kỳ kéo dài.
Để vượt qua những thách thức đó, Huang đã bổ sung thêm một nguyên tố khác - phốt pho - về cơ bản có tác dụng giống như một chất keo, giữ oxy tại chỗ để giảm thiểu sự phân hủy.
"Sự đổi mới chính ở đây và lý thuyết đằng sau thiết kế này là Yimeng đã bổ sung một lượng phốt pho vừa đủ, tạo thành cái gọi là polyanion với các nguyên tử oxy lân cận, vào cấu trúc muối đá thiếu cation có thể giữ chặt chúng lại", Li giải thích.
"Điều đó về cơ bản cho phép chúng ta ngăn chặn quá trình vận chuyển oxy thẩm thấu nhờ liên kết cộng hóa trị mạnh giữa phốt pho và oxy… nghĩa là chúng ta có thể tận dụng khả năng do oxy cung cấp, đồng thời cũng có được độ ổn định tốt."
Li cho biết khả năng sạc pin lên điện áp cao hơn rất quan trọng vì nó cho phép các hệ thống đơn giản hơn quản lý năng lượng mà chúng lưu trữ.
"Bạn có thể nói rằng chất lượng năng lượng cao hơn", ông nói. "Điện áp trên mỗi cell càng cao thì bạn càng ít phải kết nối chúng theo chuỗi trong bộ pin và hệ thống quản lý pin càng đơn giản".
Chỉ ra con đường học tập trong tương lai
Mặc dù vật liệu catốt được mô tả trong nghiên cứu có thể có tác động mang tính biến đổi đối với công nghệ pin lithium-ion, nhưng vẫn còn một số hướng nghiên cứu khác có thể tiếp tục trong tương lai.
Huang cho biết, trong số các lĩnh vực nghiên cứu trong tương lai có những nỗ lực khám phá những cách mới để chế tạo vật liệu, đặc biệt là về mặt hình thái và khả năng mở rộng.
"Hiện tại, chúng tôi đang sử dụng phương pháp nghiền bi năng lượng cao để tổng hợp cơ hóa học và ... hình thái thu được không đồng nhất và có kích thước hạt trung bình nhỏ (khoảng 150 nanomet). Phương pháp này cũng không có khả năng mở rộng quy mô", ông nói.
"Chúng tôi đang cố gắng đạt được hình thái đồng đều hơn với kích thước hạt lớn hơn bằng cách sử dụng một số phương pháp tổng hợp thay thế, cho phép chúng tôi tăng mật độ năng lượng thể tích của vật liệu và có thể cho phép chúng tôi khám phá một số phương pháp phủ… có thể cải thiện hiệu suất pin hơn nữa. Tất nhiên, các phương pháp trong tương lai phải có khả năng mở rộng quy mô công nghiệp."
Ngoài ra, ông cho biết, bản thân vật liệu muối đá không đồng nhất không phải là chất dẫn điện đặc biệt tốt, do đó, một lượng đáng kể carbon—lên đến 20 phần trăm trọng lượng của keo dán catốt—đã được thêm vào để tăng độ dẫn điện của nó. Nếu nhóm có thể giảm hàm lượng carbon trong điện cực mà không làm giảm hiệu suất, thì sẽ có hàm lượng vật liệu hoạt động cao hơn trong pin, dẫn đến mật độ năng lượng thực tế tăng lên.
"Trong bài báo này, chúng tôi chỉ sử dụng Super P, một loại carbon dẫn điện điển hình bao gồm các nanoosphere, nhưng chúng không hiệu quả lắm", Huang nói. "Chúng tôi hiện đang khám phá việc sử dụng các ống nano carbon, có thể giảm hàm lượng carbon xuống chỉ còn 1 hoặc 2 phần trăm trọng lượng, điều này có thể cho phép chúng tôi tăng đáng kể lượng vật liệu catốt hoạt động".
Ngoài việc giảm hàm lượng carbon, việc tạo ra các điện cực dày, ông nói thêm, là một cách khác để tăng mật độ năng lượng thực tế của pin. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu khác mà nhóm đang thực hiện.
"Đây chỉ là khởi đầu cho nghiên cứu DRXPS, vì chúng tôi chỉ khám phá một vài thành phần hóa học trong không gian thành phần rộng lớn của nó", ông tiếp tục. "Chúng tôi có thể thử nghiệm với các tỷ lệ khác nhau của liti, mangan, phốt pho và oxy, và với nhiều sự kết hợp khác nhau của các nguyên tố tạo thành polyanion khác như bo, silic và lưu huỳnh".
Ông cho biết, với thành phần được tối ưu hóa, phương pháp tổng hợp có khả năng mở rộng hơn, hình thái tốt hơn cho phép tạo ra lớp phủ đồng nhất, hàm lượng carbon thấp hơn và điện cực dày hơn, dòng catốt DRXPS rất hứa hẹn trong các ứng dụng của xe điện và lưu trữ lưới điện, và thậm chí có thể trong thiết bị điện tử tiêu dùng, nơi mật độ năng lượng thể tích rất quan trọng.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
