Pin lưu huỳnh lithium hiệu suất cao dựa trên các tấm nano molybdenum disulfide kim loại
Ảnh: Li et al.
Để giảm lượng khí thải carbon mà vẫn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp điện tử, các nhà khoa học sẽ cần phát triển các công nghệ pin thay thế bền hơn, bền vững hơn và có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Trong những năm gần đây, họ đã cố gắng phát triển các công nghệ pin thay thế bằng cách sử dụng các kết hợp vật liệu khác nhau.
Trong số các công nghệ pin đã được chứng minh là hứa hẹn nhất cho đến nay là pin lithium-lưu huỳnh (Li-S), chứa cực âm lưu huỳnh và cực dương kim loại lithium. Những loại pin này có thể khắc phục một số hạn chế liên quan đến phản ứng chuyển đổi trong pin lithium-ion (LiB), cuối cùng đạt được mật độ năng lượng cao hơn.
Bất chấp những ưu điểm có thể có của chúng, nhiều thiết kế pin Li-S được giới thiệu cho đến nay vẫn chưa đạt được kết quả mong muốn. Một lý do cho điều này là lưu huỳnh trong pin cần phải được nạp vào vật chủ dẫn điện, thường dựa trên các vật liệu được làm ướt kém bởi chất điện phân (ví dụ: hầu hết các nguyên tử cacbon). Điều này làm suy yếu sự khuếch tán của các ion lithium trong pin, làm giảm dung lượng và hiệu suất tổng thể của chúng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge và Viện Faraday gần đây đã phát triển pin Li-S hiệu suất cao bằng cách sử dụng các tấm nano molybdenum disulfide pha 1T kim loại được tráng men (LixMoS2). Thiết kế của họ, được nêu trong một bài báo xuất bản trên Nature Energy, mang đến nhiều hứa hẹn cho việc tạo ra các giải pháp pin thế hệ tiếp theo có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Zhuangnan Li, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với Tech Xplore: “Bài báo gần đây của chúng tôi nói về một vật liệu mới cho pin Li-S có thể dẫn đến mật độ năng lượng vượt trội. "Nó dựa trên pha kim loại của vật liệu hai chiều mà nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã nghiên cứu trong hơn 10 năm."
Thiết kế pin do Li và đồng nghiệp giới thiệu dựa trên những nỗ lực trước đây của các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge. Cụ thể hơn, nhóm đã phát triển các điện cực có triển vọng cao dựa trên các tấm nano LixMoS2 để tạo ra pin Li-S có nhiều đặc tính và đặc điểm thuận lợi.
Li giải thích: “Điểm mấu chốt trong thiết kế của chúng tôi là sử dụng lượng chất điện phân tối thiểu trong khi vẫn giữ cho pin hoạt động bình thường. "Điều này đòi hỏi vật liệu chứa lưu huỳnh phải có các đặc tính như tính dẫn điện cao, mật độ, độ thấm ướt, tính phân cực để hấp phụ và hoạt tính xúc tác."
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các tấm nano được tráng men của họ đã cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ polysulfua lithium, đồng thời tăng cường vận chuyển các ion lithium, tăng tốc các phản ứng điện hóa và cải thiện hoạt động xúc tác điện, hỗ trợ quá trình chuyển đổi polysulfide trong pin Li-S. Kết hợp lại, những ưu điểm này dẫn đến mật độ năng lượng đáng chú ý là 441 Wh kg−1 và 735 Wh l−1, cho phép pin duy trì 85,2% công suất sau 200 chu kỳ hoạt động.
"Pin Li-S năng lượng cao và tuổi thọ cao được thể hiện trong nghiên cứu này có tiềm năng lớn để tạo ra các thiết bị lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo," Li nói thêm. "Bây giờ chúng tôi có kế hoạch cung cấp thêm kiến thức cơ bản và biến nó thành công nghệ pin khả thi về mặt thương mại."
Trong các thử nghiệm ban đầu, thiết kế pin Li-S mới do nhóm các nhà nghiên cứu này giới thiệu đã đạt được kết quả rất hứa hẹn, cho thấy rằng nó có thể giúp đạt được hiệu suất tốt hơn và mật độ năng lượng cao hơn. Li và các đồng nghiệp hiện đang tiến hành đánh giá thêm và khám phá khả năng thương mại hóa công nghệ của họ.
