Nhóm tìm thấy dung lượng lưu trữ lớn trong pin gốc nước
Giáo sư kỹ thuật hóa học Tiến sĩ Jodie Lutkenhaus và trợ lý giáo sư hóa học Tiến sĩ Daniel Tabor đã phát hiện ra khả năng lưu trữ đáng kể trong pin gốc nước. Ảnh: Texas A&M Engineering
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas A&M đã phát hiện ra sự khác biệt 1.000% về khả năng lưu trữ của các điện cực pin gốc nước, không chứa kim loại.
Những loại pin này khác với pin lithium-ion có chứa coban. Mục tiêu nghiên cứu pin không chứa kim loại của nhóm bắt nguồn từ việc kiểm soát tốt hơn chuỗi cung ứng trong nước do coban và lithium được thuê ngoài. Hóa chất an toàn hơn này cũng sẽ ngăn cháy pin.
Giáo sư kỹ thuật hóa học, Tiến sĩ Jodie Lutkenhaus và trợ lý giáo sư hóa học, Tiến sĩ Daniel Tabor đã công bố phát hiện của họ về pin không chứa lithium trong Nature Materials.
Lutkenhaus nói: “Sẽ không còn chuyện cháy pin nữa vì nó dựa trên nước. "Trong tương lai, nếu dự báo thiếu nguyên liệu, giá pin lithium-ion sẽ tăng lên. Nếu chúng tôi có loại pin thay thế này, chúng tôi có thể chuyển sang ngành hóa học này, nơi có nguồn cung ổn định hơn nhiều vì chúng tôi có thể sản xuất chúng tại đây ở Hoa Kỳ và vật liệu để làm ra chúng ở đây."
Lutkenhaus cho biết pin nước bao gồm cực âm, chất điện phân và cực dương. Cực âm và cực dương là các polyme có thể lưu trữ năng lượng và chất điện phân là nước trộn với muối hữu cơ. Chất điện phân là chìa khóa để dẫn ion và lưu trữ năng lượng thông qua các tương tác của nó với điện cực.
Cô ấy nói: “Nếu một điện cực phồng lên quá nhiều trong quá trình đạp xe, thì nó không thể dẫn điện tử tốt và bạn sẽ mất hết hiệu suất. "Tôi tin rằng có sự khác biệt 1.000% về khả năng lưu trữ năng lượng, tùy thuộc vào sự lựa chọn chất điện phân do hiệu ứng trương nở."
Theo bài báo của họ, các polyme (điện cực) có gốc tự do oxi hóa khử hoạt tính là những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho pin nước không chứa kim loại vì điện áp phóng điện cao và động học oxi hóa khử nhanh của polyme. Phản ứng phức tạp và khó giải quyết vì có sự chuyển dịch đồng thời các điện tử, ion và phân tử nước.
Theo các nhà nghiên cứu trong bài báo: “Chúng tôi chứng minh bản chất của phản ứng oxi hóa khử bằng cách kiểm tra các chất điện phân chứa nước có đặc tính chao-/kosmotropic khác nhau bằng cách sử dụng cân bằng vi lượng tinh thể thạch anh điện hóa với việc theo dõi sự tiêu tán trong một khoảng thời gian”.
Nhóm nghiên cứu của Tabor đã bổ sung cho những nỗ lực thử nghiệm bằng mô phỏng và phân tích tính toán. Các mô phỏng đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về bức tranh ở quy mô phân tử cực nhỏ về cấu trúc và động lực học.
"Lý thuyết và thử nghiệm thường kết hợp chặt chẽ với nhau để hiểu những vật liệu này. Một trong những điều mới mà chúng tôi thực hiện bằng máy tính trong bài báo này là chúng tôi thực sự sạc điện cực đến nhiều trạng thái điện tích và xem môi trường xung quanh phản ứng thế nào với quá trình sạc này," Tabor nói.
Các nhà nghiên cứu đã quan sát một cách vĩ mô xem cực âm của pin có hoạt động tốt hơn khi có một số loại muối nhất định hay không thông qua việc đo chính xác lượng nước và muối đi vào pin khi nó đang hoạt động.
"Chúng tôi đã làm điều đó để giải thích những gì đã được quan sát bằng thực nghiệm," ông nói. "Bây giờ, chúng tôi muốn mở rộng các mô phỏng của mình cho các hệ thống trong tương lai. Chúng tôi cần xác nhận lý thuyết của mình về các lực đang thúc đẩy kiểu phun nước và dung môi đó.
"Với công nghệ lưu trữ năng lượng mới này, đây là một bước tiến tới pin không chứa lithium. Chúng tôi có một bức tranh ở cấp độ phân tử tốt hơn về điều gì làm cho một số điện cực của pin hoạt động tốt hơn các điện cực khác và điều này cho chúng tôi bằng chứng mạnh mẽ về hướng phát triển của vật liệu thiết kế," Tabor nói.
