Thiết kế mới cho pin lithium-không khí có thể cung cấp phạm vi lái xe dài hơn nhiều so với pin lithium-ion
của Joseph E. Harmon, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Sơ đồ cho thấy tế bào pin lithium-không khí bao gồm cực dương kim loại lithium, cực âm dựa trên không khí và chất điện phân polyme gốm rắn (CPE). Khi xả và sạc, các ion liti (Li+) đi từ cực dương sang cực âm, rồi quay lại. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Nhiều chủ sở hữu ô tô điện đã mong muốn có một bộ pin có thể cung cấp năng lượng cho chiếc xe của họ trong hơn một nghìn dặm trong một lần sạc. Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Illinois (IIT) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phát triển một loại pin lithium-không khí có thể biến giấc mơ đó thành hiện thực. Thiết kế pin mới của nhóm một ngày nào đó cũng có thể cung cấp năng lượng cho máy bay nội địa và xe tải đường dài.
Thành phần mới chính trong pin lithium-không khí này là chất điện phân rắn thay vì chất lỏng thông thường. Pin có chất điện phân rắn không phải chịu vấn đề về an toàn do chất điện phân lỏng được sử dụng trong lithi-ion và các loại pin khác có thể quá nóng và bắt lửa.
Quan trọng hơn, chất hóa học của pin với chất điện phân rắn của nhóm có khả năng tăng mật độ năng lượng lên gấp bốn lần so với pin">pin lithium-ion, nhờ đó giúp quãng đường di chuyển được dài hơn.
Larry Curtiss, một thành viên xuất sắc của Argonne cho biết: "Trong hơn một thập kỷ, các nhà khoa học tại Argonne và các nơi khác đã làm việc ngoài giờ để phát triển pin lithium sử dụng oxy trong không khí". "Pin lithium-không khí có mật độ năng lượng dự kiến cao nhất so với bất kỳ công nghệ pin nào đang được xem xét cho thế hệ pin tiếp theo ngoài lithium-ion."
Trong các thiết kế lithium-không khí trước đây, lithium trong cực dương kim loại lithium di chuyển qua chất điện phân lỏng để kết hợp với oxy trong quá trình phóng điện, tạo ra lithium peroxide (Li2O2) hoặc superoxide (LiO2) ở cực âm. Sau đó, lithium peroxide hoặc superoxide được chia nhỏ thành các thành phần lithium và oxy của nó trong quá trình sạc. Trình tự hóa học này lưu trữ và giải phóng năng lượng theo yêu cầu.
Chất điện phân rắn mới của nhóm bao gồm một vật liệu polyme gốm được làm từ các nguyên tố tương đối rẻ tiền ở dạng hạt nano. Chất rắn mới này kích hoạt các phản ứng hóa học tạo ra liti oxit (Li2O) khi phóng điện.
Nhà hóa học Rachid Amine của Argonne cho biết: “Phản ứng hóa học đối với lithium superoxide hoặc peroxide chỉ liên quan đến một hoặc hai electron được lưu trữ trên mỗi phân tử oxy, trong khi phản ứng đối với lithium oxit liên quan đến bốn electron”. Nhiều điện tử được lưu trữ hơn có nghĩa là mật độ năng lượng cao hơn.
Thiết kế lithium-không khí của nhóm là pin lithium-không khí đầu tiên đạt được phản ứng bốn electron ở nhiệt độ phòng. Nó cũng hoạt động với oxy được cung cấp bởi không khí từ môi trường xung quanh. Khả năng chạy bằng không khí giúp tránh được nhu cầu vận hành bình oxy, một vấn đề với các thiết kế trước đó.
Nhóm đã sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để chứng minh rằng một phản ứng bốn electron đang thực sự diễn ra. Một kỹ thuật quan trọng là kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của các sản phẩm phóng điện trên bề mặt catốt, được thực hiện tại Trung tâm Vật liệu kích thước nano của Argonne, một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE. Các hình ảnh TEM cung cấp cái nhìn sâu sắc có giá trị về cơ chế phóng điện bốn electron.
Các tế bào thử nghiệm lithium-không khí trước đây có vòng đời rất ngắn. Nhóm đã xác định rằng thiếu sót này không xảy ra với thiết kế pin mới của họ bằng cách xây dựng và vận hành một tế bào thử nghiệm trong 1000 chu kỳ, chứng minh tính ổn định của nó qua nhiều lần sạc và xả.
Curtiss cho biết: "Với sự phát triển hơn nữa, chúng tôi hy vọng thiết kế mới của chúng tôi dành cho pin lithium-không khí cũng sẽ đạt được mật độ năng lượng kỷ lục là 1200 watt-giờ trên mỗi kilogam". "Điều đó tốt hơn gần bốn lần so với pin lithium-ion."
Nghiên cứu này đã được xuất bản trong số gần đây của Science. Các tác giả của Argonne bao gồm Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson và Khalil Amine. Các tác giả từ IIT bao gồm Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad và Ahmad Mosen Harzandi. Và các tác giả từ Đại học Illinois Chicago bao gồm Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan và Anh Ngo.
