Vật liệu anode lai thúc đẩy công nghệ pin lithium-ion
Đại học Dongguk
Một vật liệu composite mới, kết hợp độ dẫn điện của graphene oxide với khả năng lưu trữ năng lượng của hợp chất niken-sắt, được giới thiệu. Cấu trúc được thiết kế cẩn thận này, có giao diện được kiểm soát và kiến trúc nano, mở ra một con đường đầy hứa hẹn để phát triển pin lithium-ion hiệu suất cao cho các ứng dụng trong tương lai. Tín dụng: Jae-Min Oh, Đại học Dongguk
Pin lithium-ion là công nghệ lưu trữ năng lượng chủ đạo cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ thiết bị điện tử cầm tay đến xe điện và hệ thống năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, nhu cầu về mật độ năng lượng cao hơn, sạc nhanh hơn và tuổi thọ dài hơn đòi hỏi phải liên tục đổi mới.
Các nhà nghiên cứu, do Giáo sư Jae-Min Oh của Đại học Dongguk dẫn đầu, hợp tác với Seung-Min Paek của Đại học Quốc gia Kyungpook, đang giải quyết những thách thức này bằng cách chế tạo vật liệu ở cấp độ nano. Công trình của họ, được công bố trên Tạp chí Kỹ thuật Hóa học vào ngày 15 tháng 1 năm 2025, tập trung vào một vật liệu lai mới được thiết kế để tối đa hóa hiệu ứng hiệp đồng của các thành phần của nó.
Hợp chất cải tiến này là một cấu trúc dị thể phân cấp kết hợp oxit graphene khử (rGO) với hydroxit kép lớp niken-sắt (NiFe-LDH). Hợp chất độc đáo này tận dụng các đặc tính của các thành phần của nó: rGO cung cấp một mạng lưới dẫn điện để vận chuyển electron và các thành phần niken-sắt-oxit cho phép lưu trữ điện tích nhanh thông qua cơ chế giả điện dung. Chìa khóa cho thiết kế cải tiến này là sự phong phú của các ranh giới hạt, tạo điều kiện lưu trữ điện tích hiệu quả.
Để tạo ra hợp chất cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật tự lắp ráp từng lớp bằng cách sử dụng các mẫu hạt polystyrene (PS). Đầu tiên, các hạt PS được phủ bằng tiền chất GO và NiFe-LDH. Sau đó, các mẫu được loại bỏ, để lại một kiến trúc hình cầu rỗng.
Sau đó, một quá trình xử lý nhiệt được kiểm soát đã tạo ra sự biến đổi pha trong NiFe-LDH, dẫn đến sự hình thành oxit niken-sắt nano tinh thể (NiFe₂O₄) và oxit niken vô định hình (a-NiO), đồng thời khử GO thành rGO. Quá trình tổng hợp này tạo ra một hợp chất lai tích hợp tốt (rGO/NiFe₂O₄/a-NiO), với độ dẫn điện được cải thiện khiến nó trở thành vật liệu anot hiệu quả cho pin lithium-ion. Cấu trúc rỗng này ngăn không cho các hạt nano a-NiO/NiFe₂O₄ tiếp xúc trực tiếp với chất điện phân, cải thiện độ ổn định.
Sau đó, các kỹ thuật đặc tính tiên tiến, chẳng hạn như nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử truyền qua, đã được sử dụng để xác nhận sự hình thành hợp chất. Các thử nghiệm điện hóa đã tiết lộ hiệu suất đặc biệt của vật liệu như một anot pin lithium-ion.
Anot đã chứng minh được dung lượng riêng cao là 1687,6 mA h g−1 ở mật độ dòng điện là 100 mA g−1 sau 580 chu kỳ, vượt trội hơn các vật liệu thông thường và làm nổi bật tính ổn định chu kỳ tuyệt vời của nó. Hơn nữa, vật liệu này thể hiện hiệu suất tốc độ tốt, duy trì dung lượng cao ngay cả ở tốc độ sạc/xả tăng đáng kể.
Giáo sư Seung-Min Paek nhấn mạnh bản chất hợp tác của nghiên cứu: "Bước đột phá này có thể thực hiện được thông qua sự hợp tác chặt chẽ giữa các chuyên gia trong nhiều loại vật liệu khác nhau. Bằng cách kết hợp thế mạnh của mình, chúng tôi có thể thiết kế và tối ưu hóa hệ thống lai này hiệu quả hơn".
Giáo sư Jae-Min Oh nói thêm, "Chúng tôi dự đoán rằng trong tương lai gần, vật liệu lưu trữ năng lượng sẽ không chỉ đơn thuần cải thiện các thành phần riêng lẻ. Thay vào đó, chúng sẽ liên quan đến nhiều vật liệu tương tác tạo ra sự hiệp lực, tạo ra các thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu quả và đáng tin cậy hơn. Nghiên cứu này mở ra con đường đến với khả năng lưu trữ năng lượng nhỏ hơn, nhẹ hơn và hiệu quả hơn cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo".
Sự phát triển này hướng đến mục tiêu cải thiện đáng kể pin (tuổi thọ dài hơn, sạc nhanh hơn, nhẹ hơn) trong vòng 5–10 năm, mang lại lợi ích cho cả người dùng thiết bị và các sáng kiến năng lượng bền vững.
