Pin không kim loại làm tăng hy vọng cho lưới điện bền vững và kinh tế hơn
Minh họa về loại pin không chứa kim loại hiệu suất cao do các nhà nghiên cứu của KAUST phát triển. Không giống như các loại pin thông thường, loại pin này kết hợp chất điện phân chứa amoni-cation với các điện cực dựa trên cacbon. Ảnh: KAUST
Các nhà nghiên cứu tại KAUST cho biết, pin sạc sử dụng cation amoni làm chất mang điện có thể cung cấp chất thay thế thân thiện với môi trường và bền vững cho pin dựa trên ion kim loại.
Pin kim loại-ion, chẳng hạn như pin lithium-ion, là giải pháp lưu trữ năng lượng. Họ thống trị thị trường thiết bị điện tử tiêu dùng di động và xe điện nhờ mật độ năng lượng cao và tính linh hoạt của họ. Tuy nhiên, các ion kim loại được sử dụng trong chất điện phân đến từ các nguồn tài nguyên hạn chế và đang suy giảm, điều này đe dọa đến khả năng cung cấp lâu dài. Độc tính và tính dễ cháy của chúng có thể không an toàn và có hại cho môi trường.
Đã có một số nỗ lực tạo ra pin dựa trên amoni-ion để giải quyết các vấn đề về tính bền vững và môi trường vì các cation này nhẹ, dễ tổng hợp và tái chế. Tuy nhiên, các cation amoni dễ bị khử thành hydro và amoniac ở tiềm năng hoạt động thấp, khiến pin không thể phát huy hết tiềm năng của chúng. Chúng cũng dễ dàng hòa tan trong chất điện phân, khiến chúng khó kết hợp với vật liệu điện cực.
Husam Alshareef, postdoc Zhiming Zhao và các đồng nghiệp đã phát triển một loại pin không chứa kim loại có hiệu suất cao bằng cách kết hợp chất điện phân có chứa amoni-cation với các điện cực dựa trên cacbon. Zhao cho biết cực âm than chì và cực dương bán dẫn hữu cơ rẻ, thân thiện với môi trường và có thể tái tạo.
Với các cation amoni, các nhà nghiên cứu đã chọn các ion hexafluorophosphate làm chất mang điện tích âm và khai thác khả năng của than chì để chứa các anion này một cách thuận nghịch trong các lớp của nó để tạo ra pin "ion kép". Trong pin, các cation và anion đồng thời cắm vào điện cực tương ứng của chúng trong các chu kỳ sạc và được giải phóng vào chất điện phân trong các chu kỳ xả.
Điều này phân biệt công việc của họ với các nghiên cứu khác, Zhao nói.
Zhao cho biết: "Chúng tôi đã thiết kế một chất điện phân vừa chống oxy hóa vừa chống khử bằng cách sàng lọc một loạt dung môi chịu được điện áp cao và cũng tính đến độ ổn định khử của nó".
Dung môi chống oxy hóa chủ yếu hòa tan các anion tham gia phản ứng ở cực âm, trong khi đối tác chống khử của nó hình thành một quả cầu hòa tan xung quanh các cation tham gia vào phản ứng ở cực dương. "Cấu hình này rất quan trọng cho sự ổn định của pin," Zhao giải thích.
Loại pin này vượt trội so với các loại pin tương tự dựa trên amoni-ion hiện có với điện áp hoạt động kỷ lục là 2,75 vôn. Zhao cho biết: “Hiện tại có thể phát triển pin ion phi kim loại năng lượng cao có thể cạnh tranh với pin ion kim loại.
Nhóm hiện đang làm việc để nâng cao hiệu suất để tiến gần hơn đến các ứng dụng quy mô lớn. Zhao nói: “Chúng tôi đang khám phá các vật liệu cực dương có công suất cao hơn, điều này rất quan trọng để cải thiện mật độ năng lượng.
Nhóm của Alshareef đang phát triển các giải pháp thay thế giá rẻ cho pin lithium-ion, đặc biệt là để lưu trữ ở quy mô lưới điện. Alshareef cho biết: “Để cuối cùng khử cacbon hoàn toàn cho lưới điện, chi phí pin phải giảm đáng kể. Việc thay thế lithium bằng các hạt tải điện phi kim loại, chẳng hạn như ion amoni, có thể giúp giảm các chi phí này.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition.
