Ngày càng có nhiều xe điện lưu thông trên đường hơn bao giờ hết. Nhưng một cuộc khảo sát toàn cầu gần đây đã phát hiện ra rằng một số chủ sở hữu xe điện—khoảng 46% ở Hoa Kỳ—đã cân nhắc chuyển lại sang xe chạy xăng. Lý do hàng đầu: sạc. Mặc dù phạm vi hoạt động trung bình đã tăng đều đặn theo thời gian, nhưng kỳ vọng của người lái xe vẫn vượt xa những gì pin lithium-ion hiện tại có thể cung cấp.
Cận cảnh một trong những cell pin được tạo ra trong phòng thí nghiệm của El-Zahab. Tín dụng: Margi Rentis/FIU
Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc tế Florida đã có bước đột phá với công nghệ pin thế hệ tiếp theo, được gọi là "vượt xa lithium-ion", có thể giúp việc sở hữu xe điện trở nên thuận tiện hơn rất nhiều.
"Chúng tôi bắt đầu làm việc với các loại hóa chất pin thế hệ tiếp theo này cách đây tám năm. Chu kỳ sạc đầu tiên rất tuyệt. Đến chu kỳ 20, nó chỉ còn là một cục kim loại vô dụng", Bilal El-Zahab, phó giáo sư tại Cao đẳng Kỹ thuật & Máy tính cho biết. "Chúng tôi phải trở thành người thầm thì về pin để giải quyết các vấn đề với chúng, vì vậy, thật sự rất thú vị khi ở giai đoạn này".
El-Zahab và nhóm của ông tại Phòng nghiên cứu pin FIU tập trung vào lithium-lưu huỳnh, một công nghệ vượt trội hơn lithium-ion và là một trong những giải pháp thay thế đầy hứa hẹn nhất cho lithium-ion.
Nó vừa nhẹ, vừa rẻ hơn và có mật độ năng lượng cực cao (có nghĩa là có thể mang được nhiều điện hơn). Điều đó cho phép xe điện chạy xa hơn và máy tính xách tay, điện thoại thông minh và các thiết bị khác chạy được gấp đôi thời gian.
Nhược điểm: Thành phần hóa học lithium-lưu huỳnh giúp pin hoạt động lâu như vậy cuối cùng lại làm giảm tuổi thọ của pin, khiến pin trở nên vô dụng sau khoảng 50 lần sạc đầy.
Sau nhiều năm thử nghiệm, nhóm của El-Zahab đã tìm ra giải pháp kéo dài tuổi thọ của lithium-lưu huỳnh. Chỉ cần thêm một ít kim loại vào hỗn hợp. Bạch kim ổn định hiệu suất pin và tăng khả năng lưu trữ gần hơn với khả năng thương mại. Kết quả nghiên cứu của họ gần đây đã được công bố trên tạp chí Energy & Environmental Materials.
"Chúng tôi đã đạt được mức duy trì 92% sau 500 chu kỳ sạc, điều đó có nghĩa là pin gần như tốt như mới", Aqsa Nazir, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của FIU tại phòng thí nghiệm của El-Zahab và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết. "Nó cũng cho thấy chúng tôi đã giảm thiểu các phản ứng tiêu cực gây tổn hại đến hiệu suất tổng thể để đưa loại pin này lên mức thương mại".
Tất cả các loại pin đều hoạt động theo cách khá đơn giản: Các ion di chuyển từ bên này sang bên kia của pin, qua lại, tùy thuộc vào việc nó đang sạc hay giải phóng năng lượng. Tuy nhiên, quá trình này hơi rắc rối hơn với lithium-lưu huỳnh. Một bên của pin được làm bằng lithium, bên kia được làm bằng lưu huỳnh.
Khi các ion lithium mang điện tích đến phía lưu huỳnh, phản ứng hóa học xảy ra giữa lithium và lưu huỳnh, dẫn đến sự hình thành các hợp chất lưu huỳnh chứa lithium, được gọi là polysulfide, sau đó được chuyển sang phía lithium trong quá trình sạc.
Theo thời gian, điều này sẽ gây ra hiện tượng tích tụ rêu ở phía lithium, làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng và cuối cùng dẫn đến tình trạng pin bị hỏng.
Minh họa sơ đồ các vấn đề chính mà LSB phải đối mặt với catốt gốc carbon bao gồm kết tủa sunfua hai chiều và vô định hình, động học chậm chạp và hiệu suất coulomb kém (CE). Tín dụng: ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS (2024). DOI: 10.1002/eem2.12844
Để chống lại phản ứng hóa học gây hại này, các nhà nghiên cứu đã thêm các hạt nano nhỏ của platinum vào mặt lưu huỳnh của pin. Cũng giống như các nhân viên an toàn chỉ đạo giao thông để ngăn ngừa tai nạn hoặc sự cố, platinum hoạt động ở cấp độ phân tử để dẫn hướng lithium, đảm bảo nó tiếp tục chảy trơn tru.
Chỉ cần một lượng rất nhỏ—khoảng 0,02% tổng lượng pin—là đủ để tạo nên sự khác biệt.
El-Zahab cho biết: "Việc thêm các hạt nano bạch kim vào pin cũng giống như thêm một chút muối vào thức ăn: Một lượng nhỏ có thể mang lại tác động rất lớn".
Pin lithium-lưu huỳnh của El-Zahab hiện đang được bên thứ ba thử nghiệm - một bước quan trọng trước khi rời phòng thí nghiệm để cấp phép và thương mại hóa.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
