Khi việc sử dụng xe điện và xe hybrid ngày càng tăng ở nhiều quốc gia trên toàn thế giới, việc phát triển các công nghệ pin an toàn và hoạt động tốt hơn ngày càng trở nên quan trọng. Đáng chú ý nhất, các kỹ sư đã cố gắng tăng độ an toàn và công suất năng lượng của pin đồng thời đảm bảo khả năng mở rộng và làm chậm quá trình xuống cấp của chúng theo thời gian.
Lộ trình tổng hợp và đặc tính của các chất hòa tan Ca/Mg khác nhau. a, Sơ đồ phương pháp thay thế cation sử dụng tiền chất hòa tan organoborat kẽm: chất hữu cơ Zn đầu tiên được tổng hợp bằng phản ứng giữa Zn(BH 4 ) 2 và rượu, sau đó Zn 2+ được thay thế bằng kim loại Ca hoặc Mg có hoạt tính cao hơn để thu được Ca/Mg hòa tan. Bảng màu của các thành phần chất điện phân: BH 4 − , hình bầu dục màu tím; dung môi, hình bầu dục màu xanh; anion mục tiêu, hình bầu dục màu xanh lá cây. b, Chi phí BOM của các lộ trình khác nhau đối với canxi và magie hòa tan và chất điện phân pin lithium-ion thương mại (dựa trên giá 2023/03). c, Tổng hợp các chất hòa tan magie/canxi tương ứng bằng cách sử dụng các tiền chất khác nhau. Nguồn: Năng lượng thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41560-023-01439-w
Các công nghệ pin có thể hỗ trợ nhu cầu của ngành công nghiệp điện tử bao gồm pin kim loại đa hóa trị có thể sạc lại (tức là pin sử dụng các ion đa hóa trị) dựa trên vật liệu cực dương có khả năng khử thấp, chẳng hạn như magie (Mg) và canxi (Ca). Những loại pin này có thể có mật độ năng lượng cao nếu được phát triển bằng cách sử dụng sự kết hợp phù hợp giữa cực dương, cực âm và chất điện phân.
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu đã xác định được nhiều vật liệu cực dương hiệu quả về mặt chi phí cho các loại pin này. Mặt khác, nhiều chất điện phân được đề xuất rất khó tìm nguồn hoặc phụ thuộc vào các quy trình tổng hợp phức tạp, khiến chúng khó chế tạo trên quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Chiết Giang, Trung tâm Đổi mới Khoa học và Công nghệ Toàn cầu ZJU-Hàng Châu và Đại học Công nghệ Đại Liên gần đây đã giới thiệu một phương pháp mới, phổ quát để hiện thực hóa các chất điện phân có hiệu suất cao và có thể mở rộng cho pin kim loại đa hóa trị. Chiến lược đề xuất của họ, được nêu trong một bài báo trên tạp chí Nature Energy, có thể giúp tạo ra các hệ thống điện phân thuận nghịch và giá cả phải chăng hơn, có thể chứng tỏ giá trị cho các công nghệ pin thế hệ tiếp theo.
Siyuang Li, Jiahui Zhang và các đồng nghiệp của họ viết trong bài báo: “Các hệ thống điện phân hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí đang được săn đón cho pin kim loại đa hóa trị có mật độ năng lượng cao”.
"Tuy nhiên, tiền chất đắt tiền và quá trình tổng hợp phức tạp cản trở việc khám phá các bề mặt điện cực/điện phân cực âm và cấu trúc hòa tan. Chúng tôi đã phát triển một phương pháp thay thế cation phổ quát để điều chế các chất điện phân canxi và magie có độ đảo ngược cao, chi phí thấp, có nguồn gốc từ cấu trúc hòa tan organoborat kẽm. "
Phương pháp được nhóm nghiên cứu này giới thiệu bao gồm nhiều bước khác nhau. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thúc đẩy một phản ứng hóa học giữa tiền chất Zn(BH4)2 có giá cả phải chăng và dễ dàng thu được với các loại rượu fluoro khác nhau, tạo ra các anion mục tiêu với nhiều chuỗi phân nhánh khác nhau.
Sau đó, các anion hòa tan này phản ứng với các lá kim loại giá rẻ có hoạt tính kim loại cao hơn để tạo ra các cấu trúc hòa tan mục tiêu. Để ngăn chặn sự phân hủy liên tục của dung môi và duy trì chu kỳ pin ổn định, các nhà nghiên cứu đã đề xuất hình thành lớp thụ động dựa trên hai loại Ca hòa tan.
Các nhà nghiên cứu giải thích trong bài báo: “Bằng cách điều chỉnh hợp lý độ dài chuỗi tiền chất và mức độ thay thế F, chúng tôi có thể tinh chỉnh sự tham gia của anion vào lớp vỏ hòa tan sơ cấp”. "Chất điện phân organoborate Mg phân ly hoàn toàn cho phép độ bền dòng điện cao và động học điện hóa được nâng cao, trong khi chất điện phân organoborate Ca với sự phối hợp mạnh mẽ/bao gồm B–H mang lại pha xen kẽ chất điện phân rắn ổn định với hiệu suất coulombic cao."
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp của họ để tạo ra nguyên mẫu pin tải cao 53,4 Wh kg−1 dựa trên Mg/S, chứa cực dương 30 μm Mg, tỷ lệ điện phân/lưu huỳnh thấp (E/S = 5,58 μl mg− 1) và một dải phân cách/lớp xen kẽ được sửa đổi. Trong các thử nghiệm ban đầu, nguyên mẫu pin đã đạt được kết quả đầy hứa hẹn, làm nổi bật triển vọng của phương pháp này trong việc tạo ra chất điện phân thuận lợi và chi phí thấp cho pin kim loại đa hóa trị.
Trong tương lai, phương pháp được giới thiệu trong bài viết này có thể mở đường cho việc tạo ra các hệ thống điện phân thuận nghịch khác nhau dựa trên các vật liệu có giá cả phải chăng hơn và các chiến lược xử lý đơn giản hơn. Những chất điện phân này có thể được sử dụng để tạo ra pin kim loại đa hóa trị an toàn và có thể mở rộng với mật độ năng lượng cao hơn.
