Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã phát triển một loại pin không khí có thể sạc lại ở trạng thái rắn (SSAB) sử dụng các phân tử hữu cơ có hoạt tính oxi hóa khử cho điện cực âm và polyme dẫn proton làm chất điện phân rắn, cho thấy hiệu suất và độ bền được cải thiện. Cách tiếp cận sáng tạo này có ý nghĩa tiềm năng trong việc nâng cao tuổi thọ pin trong thiết bị điện tử và tiến tới một xã hội không có carbon.
Trong loại pin đầu tiên này, điện cực âm gốc benzoquinone được sử dụng cùng với chất điện phân polymer Nafion rắn.
Theo truyền thống, kim loại đóng vai trò là vật liệu hoạt động cho các điện cực âm trong pin. Tuy nhiên, đã có sự thay đổi theo hướng sử dụng các phân tử hữu cơ có hoạt tính oxi hóa khử như các hợp chất gốc quinone và amin làm điện cực âm trong pin kim loại-không khí có thể sạc lại, có các điện cực dương khử oxy.
Ở đây, các proton và ion hydroxit tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử. Những loại pin như vậy có hiệu suất cao, gần đạt công suất tối đa về mặt lý thuyết. Hơn nữa, việc sử dụng các phân tử hữu cơ có hoạt tính oxi hóa khử trong pin không khí có thể sạc lại sẽ khắc phục được các vấn đề liên quan đến kim loại, bao gồm sự hình thành các cấu trúc gọi là 'đuôi gai', ảnh hưởng đến hiệu suất của pin và tác động tiêu cực đến môi trường.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại pin không khí có thể sạc lại ở trạng thái rắn với điện cực âm hữu cơ dựa trên dihydroxy-benzoquinone và chất điện phân polymer Nafion. Nhà cung cấp hình ảnh: Kenji Miyatake từ Đại học Waseda
Tuy nhiên, những loại pin này sử dụng chất điện phân lỏng—giống như pin làm từ kim loại—gây ra những lo ngại lớn về an toàn như điện trở cao, hiệu ứng rò rỉ và dễ cháy.
Giờ đây, trong một nghiên cứu mới được công bố gần đây trên Angewandte Chemie International Edition , một nhóm các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã phát triển một loại pin không khí có thể sạc lại ở trạng thái rắn (SSAB) và nghiên cứu công suất cũng như độ bền của nó. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Giáo sư Kenji Miyatake từ Đại học Waseda và Đại học Yamanashi, đồng tác giả là Giáo sư Kenichi Oyaizu từ Đại học Waseda.
Các nhà nghiên cứu đã chọn một loại hóa chất có tên là 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ) và poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene) (PDBM) của nó làm vật liệu hoạt động cho điện cực âm do phản ứng oxi hóa khử ổn định và thuận nghịch trong điều kiện axit. Ngoài ra, họ còn sử dụng một loại polymer dẫn proton có tên Nafion làm chất điện phân rắn, nhờ đó thay thế các chất điện phân lỏng thông thường. Miyatake cho biết: “Theo hiểu biết tốt nhất của tôi, chưa có loại pin không khí nào dựa trên các điện cực hữu cơ và chất điện phân polymer rắn được phát triển”.
Sau khi SSAB được đưa vào hoạt động, các nhà nghiên cứu đã đánh giá bằng thực nghiệm hiệu suất phóng điện, đặc tính tốc độ và tính chu kỳ của nó. Họ phát hiện ra rằng, không giống như pin không khí thông thường sử dụng điện cực âm kim loại và chất điện phân lỏng hữu cơ, SSAB không bị hỏng khi có nước và oxy. Hơn nữa, việc thay thế phân tử có hoạt tính oxi hóa khử DHBQ bằng PDBM polyme tương ứng của nó sẽ tạo thành một điện cực âm tốt hơn. Trong khi công suất mỗi gram phóng điện của SSAB-DHBQ là 29,7 mAh thì giá trị tương ứng của SSAB-PDBM là 176,1 mAh, ở mật độ dòng điện không đổi là 1 mAcm-2.
Pin sử dụng điện cực âm gốc polyme dihydroxy-benzoquinone và chất điện phân rắn gốc Nafion, cho thấy hiệu suất Coulombic và khả năng phóng điện cao. Nhà cung cấp hình ảnh: Kenji Miyatake từ Đại học Waseda
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng hiệu suất coulombic của SSAB-PDBM là 84% ở tốc độ 4 C, giảm dần xuống 66% ở tốc độ 101 C. Trong khi khả năng phóng điện của SSAB-PDBM giảm xuống 44% sau 30 chu kỳ, bằng cách tăng hàm lượng polymer dẫn proton của điện cực âm, các nhà nghiên cứu có thể cải thiện đáng kể lên 78%. Hình ảnh kính hiển vi điện tử xác nhận rằng việc bổ sung Nafion đã cải thiện hiệu suất và độ bền của điện cực dựa trên PDBM.
Nghiên cứu này chứng minh hoạt động thành công của SSAB bao gồm các phân tử hữu cơ có hoạt tính oxi hóa khử làm điện cực âm, polyme dẫn proton làm chất điện phân rắn và điện cực dương loại khuếch tán, khử oxy. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng nó sẽ mở đường cho những tiến bộ hơn nữa. Miyatake kết luận: “Công nghệ này có thể kéo dài tuổi thọ pin của các thiết bị điện tử nhỏ như điện thoại thông minh và cuối cùng góp phần hiện thực hóa một xã hội không có carbon”.
Tham khảo: “Pin không khí có thể sạc lại ở trạng thái rắn sử dụng Dihydroxybenzoquinone và Polymer của nó làm điện cực âm” của Makoto Yonenaga, Yusuke Kaiwa, Kouki Oka, Kenichi Oyaizu và Kenji Miyatake, ngày 2 tháng 5 năm 2023, Angewandte Chemie International Edition .
Nghiên cứu được tài trợ bởi Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ (MEXT), Nhật Bản và quỹ xúc tiến JKA từ AUTORACE.
