Ống nano sắt photphat – Cơ sở phát triển pin Liti-ion

(H2N2)-Các sợi nano peptit tổng hợp đã được sử dụng như là khuôn mẫu ban đầu cho quá trình tổng hợp ống nano photphat ion- một vật liệu điện cực cathode hữu dụng cho pin Liti-ion.

Một loại pin Liti-ion cỡ lớn

 

Pin ion Liti-ion được sử dụng rộng rãi trong ngành điện tử thương mại như điện thoại di động và máy tính xách tay, và gần đây, chúng được sử dụng như công cụ lưu trữ năng lượng cho xe chạy bằng điện. Một pin Liti-ion được cấu thành từ ba bộ phận quan trọng: một anode, chất điện phân và một cathode. Thông thường, anode được làm từ graphit, còn chất điện phân là dung dịch gồm muối của Liti với một dung môi hữu cơ, và cathode được tạo thành từ Liti- sắt photphat.

 

Liti sắt photphat dưới dạng nano

Một trong những ưu điểm của pin Liti-ion này là có thể nạp và xả, đồng thời chứa nguồn năng lượng cao hơn từ ba đến bốn lần cho mỗi đơn vị khối lượng đối với pin truyền thống thông thường. Pin Liti-ion được ứng dụng rộng rãi trong việc lưu trữ năng lượng cho các thiết bị điện tử di động như: máy tính xách tay, diện thoại di động, máy nghe nhạc MP3. Vật liệu cathode trong loại pin này rất hiệu quả với hiệu suất nhỏ, tuy nhiên lại cực kỳ đắt tiền nếu ta sử dụng chúng như một loại pin cỡ lớn cho các loại xe điện và xe hybrid thế hệ thứ hai. Tuy nhiên, loại vật liệu này không có tính ion cũng như tính điện dẫn, điều cần thiết cho các điện cực hoạt động.

Pin Liti-ion dùng trong công nghệ điện thoại di động và máy tính xách tay.
Nguồn: English wiki

Quay lại cách đây hai năm, vào năm 2008, các nhà hóa học từ Viện cô đặc vật liệu hóa học Bordeaux và các cộng tác viên từ CEA-Liten đã trở thành những người đầu tiên giải thích cho những nghịch lý này. Bằng cách nghiên cứu Liti-ion photphat, họ đã cho thấy việc nạp và xả năng lượng một cách tuần hoàn là việc có thể tạo ra theo quy trình thác đổ. Hiện tượng này xảy ra ngay khi xuất hiện một ứng suất bề mặt giữa vật liệu xả điện và vật liệu nạp. Tính dẫn điện diễn ra rất nhanh sau đó trong bề mặt vật liệu, sự truyền ion từ điểm này sang điểm khác như hiệu ứng thác đổ diễn ra trên bề mặt. Kiểu mô hình này đã được kiểm tra dưới kính hiển vi.

Cũng tại năm đó, các nhà khoa học tiên đoán những ứng dụng này có thể được dựa trên Liti-ion photphat: nó thân thiện với môi trường và có những tính chất đặc biệt kèm theo như rẻ tiền và độ ổn định nhiệt tốt (điều này cực kỳ quan trong cho vấn đề an toàn). Những tính chất trên khiến cho chúng là ứng viên tuyệt vời cho việc sử dụng pin Liti-ion cho những thế hệ xe điện trong tương lai. Tuy nhiên, loại vật liệu này không có tính dẫn ion và tính điện dẫn cần thiết để cho các điện cực hoạt động.

Như đã nói ở trên, tính chất quan trọng của pin Liti-ion là khả năng nạp và xả năng lượng có thể chứa và giải thoát như một chu trình duy nhất và tương ứng với tốc độ truyền tải năng lượng. Ứng dụng của pin Liti-ion đối với năng lượng cao là đăc biệt quan trọng, điển hình là xe điện. Cathode làm từ vật liệu cấu trúc nano dị hướng được tiên đoán có tính chất vượt trội hơn hẳn các vật liệu cathode truyền thống khác, nhưng bước đầu tiên là phát triển một phương pháp đáng tin cậy để làm ra chúng. Vào giữa năm 2010, Kisuk Kang, Chan Beum Park và đồng nghiệp tại KAIST ở Hàn Quốc đã công bố việc sử dụng sợi nano peptit tổng hợp như là khuôn mẫu cho quá trình tổng hợp ống nano sắt photphate.

Các ống nano sắt photphat dưới kính hiển vi.
Nguồn: http://www.natureasia.com

“Chúng tôi rất hứng thú với vật liệu lai vô cơ-hữu cơ được hình thành trong tự nhiên, và mong muốn sử dụng quá trình tương tự để làm ra vật liệu cấu trúc nano cho các ứng dụng của pin Liti-ion”, Kang phát biểu. Nhóm của anh ấy làm ra một hydrogel peptit bằng cách thêm nước vào dung dịch của một dipeptit trong dung dịch hữu cơ, kết quả thu được các mạng đang xéo peptit tổng hợp. Các nhóm đa acid xuất hiện ngay trên bề mặt của sợi gel tổng hợp. Khi lớp gel này được xử lý bằng sắt chloride, ion kim loại được hấp thụ trên bề mặt. Quá trình xử lý sau đó của các loại sợi mạ kim loại với phosphate gây ra sự hình thành của một lớp phủ phốt phát sắt. Quá trình này tương tự với cách thức xương được cấu thành từ lớp phủ của sợi collagen với canxi photphat.

Lớp vỏ sắt photphat vẫn còn nguyên vẹn khi ta gia nhiệt đến 350oC, nhưng các sợi tổng hợp peptit được chuyển đổi thành một lớp carbon như một cấu trúc tổng thể và trở thành mạng đan xen của ống nano sắt photphat với lớp phủ bên trong của carbon. Những ống nano này cho thấy tính chất nổi trội hơn đối với các ống nano sắt photphat khác để sử dụng như là vật liệu cathode. “Lớp vỏ carbon ít nhất cũng có phần nào đáng tin, vì thế phương pháp tạo ra sợi tổng hợp của chúng ta vừa đơn giản, vừa có thật”, Kang giải thích thêm.

 

Đặng Anh Trung

Nguồn Cyberchemvn.com