Sử dụng thủy tinh làm điện cực cho pin

Pin lithi-ion hiện rất tốt, nhưng không đủ tốt nếu hệ thống năng lượng trong tương lai của chúng ta dựa vào năng lượng điện. Các nhà hóa học và các nhà khoa học vật liệu tại ETH Zurich đã phát triển một loại thủy tinh có thể được sử dụng làm vật liệu điện cực cho pin lithi-ion, có khả năng đưa đến một cải tiến đáng kể công suất và mật độ năng lượng của loại pin này.

Gần đây, các chuyên gia năng lượng đã khẳng định rằng chúng ta sẽ cần nhiều năng lượng sạch hơn trong tương lai nếu chúng ta muốn thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải CO2, ví dụ, xe ô tô điện sẽ thay thế cho những chiếc xe chạy bằng xăng. Tuy nhiên, để xe ô tô điện vận hành ở các khoảng cách lớn hơn hay pin điện thoại di động dùng được lâu hơn, chúng ta cần các loại pin tốt hơn. Trong quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo, pin cũng đóng một vai trò quan trọng trong lưu trữ năng lượng dư thừa từ các tuabin gió hay các nhà máy điện mặt trời và bù cho các biến động trong việc cung cấp năng lượng.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các loại vật liệu mới có mật độ năng lượng và công suất sạc cao hơn, nhưng không nặng hơn hay lớn hơn những vật liệu đang được sử dụng trong pin lithi-ion hiện nay. Các loại pin hiện nay cung cấp một nguồn năng lượng đáng tin cậy cho điện thoại thông minh, ô tô điện và máy tính xách tay, nhưng không thể bắt kịp được những yêu cầu ngày càng tăng đối với chúng. TS. Semih Afyon, một nhà khoa học tại Viện Vật liệu điện hóa, tổng hợp ý tưởng cơ bản đó để nghiên cứu pin: “Những gì chúng ta cần là ngành hóa học và các hợp chất mới để có được loại pin an toàn, tuổi thọ dài hơn và tốt hơn”.

Hạt thủy tinh thay thế cho tinh thể

Các nhà nghiên cứu ETH do Afyon và Reinhard Nesper, Giáo sư hóa học dẫn dắt, mới đây đã có một khám phá mới. Trong suốt nhiều năm nghiên cứu, họ đã tìm ra một loại vật liệu có thể có tiềm năng tăng gấp đôi công suất của pin đó là thủy tinh vanađat-borat. Các nhà nghiên cứu sử dụng thủy tinh này làm vật liệu catôt, như báo cáo gần đây trên tạp chí Scientific Reports.

Vật liệu này được làm bằng các tiền chất lithi-borat (LiBO2) và oxit vanađi (V2O5) và được phủ bằng graphit oxit đã được khử (RGO) để tăng cường các tính chất điện cực của vật liệu. Các nhà nghiên cứu sử dụng một hợp chất dựa trên vanađi vì vanađi là một kim loại chuyển tiếp có các trạng thái oxy hóa khác nhau, có thể được khai thác để đạt được các công suất cao hơn. Ở dạng tinh thể, vanađi pentoxit có thể lấy ba ion lithi tích điện dương - gấp ba lần so với các vật liệu hiện nay được sử dụng trong catôt, như photphat sắt lithi.

Tuy nhiên, pentôxit vanađi tinh thể không thể giải phóng tất cả các ion lithi được chèn vào và chỉ cho phép một vài chu kỳ sạc/xả ổn định. Điều này là vì khi các ion lithi thâm nhập vào mạng tinh thể trong suốt quá trình tải, mạng này giãn ra. Kết quả là, một hạt điện cực phồng lên, tức là nó tăng khối lượng chỉ để thu nhỏ lại khi các điện cực rời bỏ hạt này. Quá trình này có thể dẫn đến những bất ổn định trong vật liệu điện cực về những thay đổi cấu trúc và mất tiếp xúc.

Do đó các nhà nghiên cứu phải tìm một cách để giữ lại cấu trúc của vật liệu ban đầu trong khi tối đa hóa công suất và đồng thời duy trì khả năng của nó để “lấy” các điện cực, đó là cách họ nghĩ ra ý tưởng sử dụng vanadi dưới dạng thủy tinh chứ không phải dưới dạng tinh thể. Trong thủy tinh, một loại vật liệu được gọi là “vô định hình”, các nguyên tử không tự sắp xếp trong một mạng đều đặn như khi chúng ở trong trạng thái tinh thể. Thay vào đó, các nguyên tử tồn tại trong trạng thái hỗn loạn.

Phương pháp sản xuất đơn giản và với giá thành thấp

Để sản xuất vật liệu catôt, Afyon và các đồng nghiệp của ông trộn bột vanađi pentoxit với các hợp chất borat. “Borat là chất tạo thủy tinh; đó là lý do tại sao các hợp chất borat được sử dụng và các hợp chất thủy tinh thu được là một loại vật liệu mới, không phải V2O5 hay LiBO2”, các nhà nghiên cứu cho biết. Nhóm nghiên cứu làm tan chảy bột này ở nhiệt độ 900oC và nhanh chóng làm mát chất tan để tạo thành thủy tinh. Các tấm mỏng như tờ giấy thu được sau đó được nghiền thành bột trước khi sử dụng, do đó làm tăng diện tích bề mặt của chúng và tạo ra khoảng trống. “Một lợi thế lớn của thủy tinh vanađa-borat là việc sản xuất loại thủy tinh này rất đơn giản và không tốn kém”, Afyon nói. Điều này được kỳ vọng sẽ tăng cơ hội cho một ứng dụng công nghiệp.

Để sản xuất một điện cực hiệu quả, các nhà nghiên cứu đã phủ lên bột vanađa-borat bằng RGO. Điều này làm tăng độ dẫn điện, trong khi đồng thời bảo vệ các hạt điện cực nhưng không cản trở các điện cực và các ion lithi khi chúng được vận chuyển qua các điện cực này.

Afyon sử dụng bột thủy tinh vanađa-borat để làm catôt pin, sau đó ông đưa vào các nguyên mẫu pin hình đồng xu để thực hiện nhiều chu kỳ sạc/xả.

Tăng gấp đôi công suất

Trong các thử nghiệm ban đầu với các điện cực vanađa-borat không được làm bằng vật liệu phủ RGO, công suất xả giảm mạnh sau 30 chu kỳ sạc/xả, khi tốc độ dòng tăng lên đến 400 mA/gr. Ngược lại, khi các lớp phủ RGO được sử dụng, công suất này khá ổn định ở các mức cao và nó vẫn duy trì nhất quán ở mức độ cao sau hơn 100 chu kỳ sạc/xả.

Pin có điện cực thủy tinh vanađa-borat phủ RGO có mật độ năng lượng khoảng 1.000 watt-giờ/kg. Nó đạt được công suất xả vượt hơn 300 mAh/g. Ban đầu, con số này thậm chí còn đạt 400 mAh/g, nhưng chu kỳ sạc/xả thấp. Afyon ước tính: “Pin này có thể cấp điện cho một chiếc điện thoại di động lâu hơn từ 1,5 đến 2 lần so với pin lithi-ion hiện nay”. Điều này cũng có thể làm tăng phạm vi của ô tô chạy điện lên 1,5 lần phạm vi tiêu chuẩn. Tuy nhiên, những con số này vẫn còn là lý thuyết.

Bằng sáng chế và phát triển hơn nữa

Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho vật liệu mới của họ. Họ cũng đã làm việc với các đối tác công nghiệp để phát triển hơn nữa. “Trọng tâm của chúng tôi là các ứng dụng thực tế, cũng như nghiên cứu cơ bản”, các nhà nghiên cứu cho biết. Một khái niệm mới thường mất khoảng 10-20 năm để có được một chỗ đứng trên thị trường.

Các kết quả tích cực của thủy tinh vanađa-borat đã khuyến khích họ tiếp tục nghiên cứu trong lĩnh vực này. Afyon hiện đang làm việc như một nhà lãnh đạo dự án trong một côngxoocxiom nghiên cứu do Jennifer Rupp, Giáo sư vật liệu điện dẫn dắt, tập trung vào việc phát triển pin trạng thái rắn có tính chất đổi mới. Nhóm đã sử dụng và thử nghiệm điện cực vanađa-borat trong hệ thống này và bước tiếp theo là tối ưu hóa hệ thống. Đặc biệt, họ phải tăng số chu kỳ sạc/xả đáng kể, có thể đạt được bằng cách cải thiện các thiết kế pin và điện cực cũng như bằng cách sử dụng các lớp phủ khác chứ không phải là giảm graphite oxit.

Pin lithi-ion hoạt động như thế nào

Pin lithi-ion hiện nay gồm hai điện cực - một điện cực catôt và một điện cực anôt. Điện cực anôt thường được làm bằng than chì, điện cực catốt được làm bằng các oxit kim loại như coban oxit. Các ion lithi đi vào những vật liệu này trong các quá trình sạc/xả. Hai điện cực được ngăn cách bởi bức tường điện tử chỉ cho phép các ion lithi di chuyển giữa hai điện cực, nhưng không cho phép các điện tử. Trong thời gian xả của pin, các ion lithi chuyển từ anôt sang catôt. Do các điện tử không đi qua được, chúng phải đi đường vòng qua một thiết bị điện tử, được cấp điện bởi dòng điện tử này. Các điện tử và ion lại gặp nhau trong catôt. Khi pin đang sạc, các ion và điện tử buộc phải chảy theo hướng ngược lại. Để pin hoạt động hiệu quả và trong một thời gian dài, các ion cần có thể di chuyển vào và ra các vật liệu điện cực dễ dàng. Hình dạng và kích thước của vật liệu điện cực không nên thay đổi nhiều trong quá trình hấp thụ và giải phóng định kỳ các ion. 

Theo Phys.org