Nhận diện cơ chế lưu trữ năng lượng của cực dương pin sodium-ion
Các nhà khoa học của Viện Skoltech và trường đại học Moscow (MSU) đã nhận diện được một dạng phản ứng điện hóa liên quan tới việc lưu trữ điện năng được nạp trong vật liệu cực dương của pin nhiên liệu sodium-ion (SIB), một lớp mới đầy hứa hẹn cho các nguồn điện điện hóa. Phát hiện của họ cùng với phương pháp chế tạo cực dương được phát triển cùng nhóm nghiên cứu sẽ góp phần tiến gần hơn tới việc thương mại hóa SIB ở Nga và hơn thế nữa.
Công trình của họ “Unveiling pseudocapacitive behavior of hard carbon anode materials for sodium-ion batteries” đã được xuất bản trên Electrochimica Acta.
Ngày nay các loại pin lithium-ion (LIB) là nguồn điện điện hóa được sử dụng phổ biến bậc nhất với những ứng dụng khác nhau từ điện thoại thông minh (vài watt giờ) đến các hệ tại các nhà máy điện (hàng triệu watt giờ). Nhu cầu về LIB và kích thước trung bình của các thiết bị lưu giữ đang ngày một gia tăng, xu hướng này đang gặp phải nhiều rào cản như giá cao với muối lithium, sự giới hạn của nguồn lithium trên toàn cầu và sự phân bố không đồng đều của các mỏ chứa lithium ở nhiều quốc gia. Để vượt qua những rào cản này, các nhà khoa học trên toàn thế giới, trong đó có Nga, đang nghiên cứu về SIB, một công nghệ mang tính giải pháp có tiềm năng thách thức cả LIB và các loại pin chứa a xít than chì.
Sodium là một trong sáu nguyên tố phổ biến bậc nhất trong vỏ trái đất. Muối của nó rẻ gấp cả trăm lần so với lithium. Dẫu tương tự với lithium về các đặc tính hóa học nhưng sodium có những điểm đặc biệt khác và đòi hỏi những cách tiếp cận mới trong thiết kế SIB. Một chiếc pin được làm từ ba hợp phần chính: cực dương, cực âm và chất điện phân. Có một dải rộng của những hợp chất và cấu trúc có thể phù hợp với các cực âm hoặc các chất điện phân SIB song ngược lại, cực dương vẫn còn ẩn chứa nhiều chướng ngại. Than chì, vốn được sử dụng thành công trong LIB, không hoạt động trên SIB bởi vì các kích thước của các carbon sáu cạnh và các ion dương sodium khác nhau quá nhiều để có thể xen vào. Carbon cứng dường như là vật liệu duy nhất có thể được sử dụng cho cực dương. Nó được hình thành bằng một sắp xếp bất thường của các lớp như than chì bị biến dạng, điều này cho thấy rõ các đặc tính lưu trữ của sodium-ion có thể so sánh với than chì trong LIB. Dẫu vậy thì điều này vẫn còn có những điều chưa rõ như vì sao điều đó lại xảy ra và xảy ra như thế nào.
Oleg Drozhzhin, người phụ trách dự án và nhà nghiên cứu chính tại Trung tâm KH&CN Năng lượng Skoltech
“Có nhiều giả thiết như cách sodium có thể được đưa vào carbon cứng. Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đánh giá và mở rộng một cách chặt chẽ một trong số đó. Chúng tôi đã tìm thấy carbon cứng thể hiện hành xử kiểu như lớp kẹp để thu hút phần lớn điện tích được nạp, vốn là tin cực mới. Lớp kẹp chính xác là những gì pin cần, trong khi các quá trình diễn ra trên bề mặt liên kết với sự lưu trữ điện hóa trong một tụ điện hóa (pseudocapacitance), đó là phản hồi của các siêu tụ điện hình thành một cái hốc cực nhỏ giữa các nguồn điện hóa. Đồng nghiệp Nhật Bản và cố vấn khoa học cho nghiên cứu này của chúng tôi cùng nghiên cứu sinh Zoya Bobyleva của MSU đã có một cái nhìn toàn toàn khác nhau ngay lúc khởi đầu. Ông ấy là một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới về SIB và carbon cứng. Chúng tôi đã phải thuyết phục ấy một thời gian và chúng tôi đã đúng, chúng tôi đã làm được!”, Oleg Drozhzhin, người phụ trách dự án và nhà nghiên cứu chính tại Trung tâm KH&CN Năng lượng Skoltech (CEST) và MSU.
Năm ngoái, giải Nobel hóa học đã được trao cho ba nhà khoa học “đã phát triển của các pin lithium-ion”. Một trong những người thắng giải với carbon cứng, một vật liệu cực âm đem lại sự sống cho công nghệ LIB ba thập kỷ trước và sau đó được thay thế bằng than chì. Giờ đây carbon cứng một lần nữa góp phần tạo ra một công nghệ mới.
“Công trình này rất đáng chú ý không chỉ vì cho thấy carbon cứng hoạt dộng được trong hệ sodium-ion mà còn đưa ra một cách để tạo ra carbon cứng với khả năng trên 300 mAh/g so với than chì trong LIB. Việc tạo ra và tối ưu một phương pháp mới cần rất nhiều nỗ lực trong phong thí nghiệm và rất khó kể được hết trong một bài báo khoa học, vì thế điều quan trọng là chúng tôi đã nêu được kết quả cuối cùng: chúng tôi đã tạo ra những vật liệu cực dương tốt cho SIB và chúng tôi biết cách chúng hoạt động như thế nào”, Evgeny Antipov, một giáo sư ở Skoltech và trưởng môn Điện hóa tại Khoa Hóa trường MSU, bình luận.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://techxplore.com/news/2020-07-scientists-energy-storage-mechanism-sodium-ion.html
