Pin lithium-lưu huỳnh tiến một bước gần hơn để cung cấp năng lượng cho tương lai

Pin lithium-lưu huỳnh tiến một bước gần hơn để cung cấp năng lượng cho tương lai

    Pin lithium-lưu huỳnh tiến một bước gần hơn để cung cấp năng lượng cho tương lai

    Hình ảnh cho thấy cấu trúc vi mô và ánh xạ nguyên tố (silicon, oxy và lưu huỳnh) của lớp xen kẽ chứa lưu huỳnh xốp sau 500 chu kỳ phóng điện trong tế bào lưu huỳnh-lithi. Ảnh: Guiliang Xu/Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne

    Lithium-sulfur batteries are one step closer to powering the future
    Pin có ở mọi nơi trong cuộc sống hàng ngày, từ điện thoại di động và đồng hồ thông minh cho đến số lượng xe điện ngày càng tăng. Hầu hết các thiết bị này đều sử dụng công nghệ pin lithium-ion nổi tiếng. Và mặc dù pin lithium-ion đã trải qua một chặng đường dài kể từ lần đầu tiên được giới thiệu, nhưng chúng cũng có một số nhược điểm quen thuộc, chẳng hạn như tuổi thọ ngắn, quá nóng và những thách thức trong chuỗi cung ứng đối với một số nguyên liệu thô.

    Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đang nghiên cứu các giải pháp cho những vấn đề này bằng cách thử nghiệm các vật liệu mới trong cấu tạo pin. Một trong những vật liệu như vậy là lưu huỳnh. Lưu huỳnh cực kỳ phong phú, tiết kiệm chi phí và có thể chứa nhiều năng lượng hơn so với pin dựa trên ion truyền thống.

    Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã nâng cao nghiên cứu về pin lưu huỳnh bằng cách tạo ra một lớp bên trong pin để tăng thêm khả năng lưu trữ năng lượng trong khi gần như loại bỏ vấn đề truyền thống với pin lưu huỳnh gây ra sự ăn mòn.

    Một thiết kế pin đầy hứa hẹn sẽ ghép điện cực dương chứa lưu huỳnh (cực âm) với điện cực âm kim loại lithium (cực dương). Ở giữa các thành phần đó là chất điện phân hoặc chất cho phép các ion đi qua giữa hai đầu của pin.

    Pin lithium-lưu huỳnh (Li-S) ban đầu không hoạt động tốt vì các loại lưu huỳnh (polysulfide) hòa tan vào chất điện phân, gây ra hiện tượng ăn mòn. Hiệu ứng con thoi polysulfide này ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ pin và làm giảm số lần sạc lại pin.

    Để ngăn chặn sự xáo trộn polysulfide này, các nhà nghiên cứu trước đây đã thử đặt một lớp xen kẽ không có hoạt tính oxi hóa khử giữa cực âm và cực dương. Thuật ngữ "không hoạt động oxi hóa khử" có nghĩa là vật liệu không trải qua các phản ứng giống như trong điện cực. Nhưng lớp xen kẽ bảo vệ này rất nặng và dày đặc, làm giảm khả năng lưu trữ năng lượng trên một đơn vị trọng lượng của pin. Nó cũng không làm giảm đáng kể việc đưa đón. Điều này đã chứng minh một rào cản lớn đối với việc thương mại hóa pin Li-S.

    Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển và thử nghiệm một lớp xen kẽ xốp chứa lưu huỳnh. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy dung lượng ban đầu cao hơn khoảng ba lần trong các tế bào Li-S với lớp xen kẽ đang hoạt động này, trái ngược với lớp xen kẽ không hoạt động. Ấn tượng hơn, các ô có lớp xen kẽ hoạt động duy trì dung lượng cao trong hơn 700 chu kỳ phóng điện.

    "Các thí nghiệm trước đây với các tế bào có lớp không hoạt động oxy hóa khử chỉ ngăn chặn được sự chuyển dịch con thoi, nhưng khi làm như vậy, họ đã hy sinh năng lượng cho một trọng lượng tế bào nhất định vì lớp này tăng thêm trọng lượng," Guiliang Xu, nhà hóa học Argonne và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. giấy. "Ngược lại, lớp hoạt động oxi hóa khử của chúng tôi bổ sung khả năng lưu trữ năng lượng và triệt tiêu hiệu ứng tàu con thoi."

    Để nghiên cứu sâu hơn về lớp hoạt tính oxi hóa khử, nhóm đã tiến hành các thí nghiệm tại chùm tia 17-BM của Nguồn Photon Nâng cao (APS) của Argonne, một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE. Dữ liệu được thu thập từ việc phơi bày các tế bào có lớp này với chùm tia X cho phép nhóm xác định được lợi ích của lớp xen kẽ.

    Dữ liệu đã xác nhận rằng lớp xen kẽ hoạt động oxi hóa khử có thể giảm hiện tượng xáo trộn, giảm các phản ứng có hại trong pin và tăng khả năng của pin để giữ được nhiều điện tích hơn và kéo dài trong nhiều chu kỳ hơn. "Những kết quả này chứng minh rằng lớp xen kẽ hoạt động oxi hóa khử có thể có tác động rất lớn đến sự phát triển của pin Li-S", Wenqian Xu, một nhà khoa học về chùm tia tại APS cho biết. "Chúng ta đang tiến một bước gần hơn để nhìn thấy công nghệ này trong cuộc sống hàng ngày của mình."

    Trong tương lai, nhóm muốn đánh giá tiềm năng phát triển của công nghệ lớp xen kẽ hoạt động oxi hóa khử. “Chúng tôi muốn cố gắng làm cho nó mỏng hơn, nhẹ hơn nhiều,” Guiliang Xu nói.

    Một bài báo dựa trên nghiên cứu đã xuất hiện trong số ra ngày 8 tháng 8 của Nature Communications. Khalil Amine, Tianyi Li, Xiang Liu, Guiliang Xu, Wenqian Xu, Chen Zhao và Xiao-Bing Zuo đã đóng góp cho bài báo.

    Zalo
    Hotline