Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Stanford (Mỹ) vừa qua đã chế tạo pin và ắc quy ion liti với một loại điện cực mới, có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều gấp đôi những loại pin và ắc quy thường thấy trong dụng cụ điện tử cầm tay ngày nay. Kiểu điện cực này có thể giúp các nhà sản xuất vượt qua những hạn chế mà lâu nay đã ngăn không cho công nghệ pin và ắc quy ion liti phát triển nhiều sản phẩm phù hợp hơn với nhu cầu thị trường.
Nếu công suất lưu trữ điện của ắc quy và pin ion liti tăng, xe ôtô điện và điện thoại di động có thể hoạt động lâu hơn mà không cần phải nạp lại điện. Nhưng hiện nay các nhà nghiên cứu gặp nhiều khó khăn khi chế tạo các loại ắc quy và pin có năng lượng cao như vậy mà vẫn bền sau nhiều lần nạp lại. Vấn đề then chốt ở đây là cần phải thiết kế các điện cực sao cho ắc quy và pin có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng mà không bị thoái hóa sau quá trình hoạt động lâu dài. Cho đến nay, một số nhà nghiên cứu đã chế tạo được các anôt năng lượng cao, có thể được sản xuất với giá thành hợp lý và được thị trường chấp nhận, nhưng việc tìm ra catôt thích hợp vẫn là một thách thức lớn.
Một trong những vật liệu catôt có triển vọng nhất là lưu huỳnh. Catôt bằng lưu huỳnh có thể lưu trữ nhiều năng lượng, vật liệu này lại sẵn có và không độc hại. Nhưng trải qua 15 năm nghiên cứu, ắc quy và pin ion liti sử dụng catôt lưu huỳnh vẫn chỉ mới đạt được những thành công thương mại hạn chế. Ví dụ, Công ty Suon Power bán cho quân đội Mỹ các loại ắc quy như vậy để sử dụng làm nguồn cấp điện cho máy bay không người lái hoạt động tầm xa. Nhưng do ắc quy ion liti với catôt lưu huỳnh chỉ có thể nạp lại khoảng 50 lần nên chúng không thể được bán rộng rãi trên thị trường mà chỉ có thể được ứng dụng trong những lĩnh vực đặc biệt.
Vấn đề ở đây là sự không ổn định cấu trúc và hóa học trong catôt khiến cho ắc quy nhanh bị hỏng. Khi ắc quy phóng điện và nạp lại điện, catôt co giãn vì lưu huỳnh tiếp nhận và giải phóng liti từ dung dịch điện ly của ắc quy. Tác động vật lý này dẫn đến việc catôt bị nứt. Ngoài ra, lưu huỳnh trong catôt cũng phản ứng để tạo ra liti polysulphit mà sẽ tan vào chất điện ly và lấy mất vật liệu hoạt tính ra khỏi catôt. Polysulphit cũng có thể thâm nhập vào và phản ứng với anôt, do đó làm hỏng điện cực này.
Khi nghiên cứu vấn đề trên, các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã nhận thấy rằng điều then chốt là cần phải giữ lưu huỳnh ở lại bên trong catôt. Để làm việc đó, họ đã sử dụng các bó sợi nano cacbon và nạp chúng bằng lưu huỳnh để tạo thành catôt.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật khuôn mẫu, họ để cho các sợi nano cacbon phát triển trên một màng nhôm oxit đã đục các lỗ sâu 60 mm, đường kính khoảng 200 nm. Sau đó họ nạp các bó ống nano này bằng lưu huỳnh trước khi tháo khuôn để thu được catôt.
Khi nạp điện, lưu huỳnh trong catôt như trên có thể giãn nở vào các khoảng trống bên trong các sợi nano cacbon. Các ống nano cũng ngăn ngừa không cho lưu huỳnh phản ứng với liti của pin, vì chỉ một diện tích bề mặt rất nhỏ của lưu huỳnh tiếp xúc với chất điện ly.
So với pin ion liti trong các dụng cụ cầm tay ngày nay, pin sử dụng điện cực lưu huỳnh như trên có thể lưu trữ lượng năng lượng lớn gấp đôi. Theo các nhà nghiên cứu, khả năng lưu trữ năng lượng này duy trì ổn định sau 150 chu kỳ phóng-nạp điện.
Theo đánh giá của một số nhà khoa học khác, nguyên lý chế tạo của loại pin nêu trên rất có triển vọng, nhưng phương pháp sản xuất có thể chưa hợp lý để sản xuất ở quy mô lớn.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Stanford đang tiếp xúc với Công ty amprius chuyên về anôt silic năng lượng cao để bàn về việc sản xuất pin và ắc quy với cả hai dạng điện cực này. Theo họ, những loại pin và ắc quy như vậy có thể lưu trữ năng lượng nhiều gấp 4 lần những loại hiện đang được bán trên thị trường.
Theo Chemical & Engineering News
Nguồn Tạp chí Hóa học & Công nghiệp Hóa chất
