Pin mới có thể khắc phục nhược điểm chính của pin lithium-Air

Các kỹ sư từ MIT đề xuất rằng một vật liệu pin lithium-oxy mới có thể được đóng gói trong các pin rất giống với pin kín thông thường nhưng cung cấp nhiều năng lượng hơn trọng lượng của chúng.

Pin lithium-air được coi là công nghệ đầy hứa hẹn cho ô tô điện và thiết bị điện tử cầm tay vì tiềm năng mang lại năng lượng cao tương xứng với trọng lượng của chúng. Nhưng pin như vậy có một số nhược điểm khá nghiêm trọng: Chúng lãng phí phần lớn năng lượng được bơm vào vì nhiệt và suy giảm tương đối nhanh. Họ cũng yêu cầu các thành phần phụ đắt tiền để bơm khí oxy vào và ra, trong một cấu hình tế bào mở rất khác so với pin kín thông thường.

Nhưng một biến thể mới của hóa học pin, có thể được sử dụng trong pin thông thường, được niêm phong hoàn toàn, hứa hẹn hiệu suất lý thuyết tương tự như pin lithium-air, trong khi khắc phục tất cả những nhược điểm này.

Khái niệm pin mới, được gọi là pin cực âm nanolithia, được mô tả trong tạp chí Nature Energy trong một bài báo của Ju Li, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân của Liên minh Năng lượng Battelle tại MIT; postdoc Zhi Zhu; và năm người khác tại MIT, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Đại học Bắc Kinh ở Trung Quốc.

Một trong những thiếu sót của pin lithium-air, Li giải thích, là sự không phù hợp giữa các điện áp liên quan đến việc sạc và xả pin. Điện áp đầu ra của pin thấp hơn 1,2 volt so với điện áp được sử dụng để sạc cho chúng, điều này thể hiện sự mất điện đáng kể trong mỗi chu kỳ sạc. Bạn có thể lãng phí 30 phần trăm năng lượng điện dưới dạng nhiệt khi sạc. Voi Nó thực sự có thể cháy nếu bạn sạc quá nhanh, ông nói.

Bền Bỉ

Pin lithium-air thông thường hút oxy từ không khí bên ngoài để điều khiển phản ứng hóa học với lithium của pin trong chu kỳ xả và oxy này sau đó được giải phóng trở lại khí quyển trong phản ứng ngược trong chu kỳ sạc.

Trong biến thể mới, các loại phản ứng điện hóa tương tự diễn ra giữa lithium và oxy trong quá trình sạc và xả, nhưng chúng diễn ra mà không bao giờ để oxy trở lại dạng khí. Thay vào đó, oxy ở lại trong chất rắn và biến đổi trực tiếp giữa ba trạng thái oxi hóa khử của nó, trong khi liên kết ở dạng ba hợp chất hóa học rắn khác nhau, Li ₂ O, Li ₂ O ₂ và LiO ₂, được trộn với nhau dưới dạng một ly. Điều này giúp giảm tổn thất điện áp xuống 5 lần, từ 1,2 volt xuống 0,24 volt, do đó chỉ 8% năng lượng điện được chuyển thành nhiệt. Điều này có nghĩa là sạc nhanh hơn cho xe hơi, vì việc loại bỏ nhiệt từ bộ pin ít gây lo ngại về an toàn cũng như lợi ích về hiệu quả năng lượng.

Cách tiếp cận này giúp khắc phục một vấn đề khác với pin lithium-air: Vì phản ứng hóa học liên quan đến sạc và xả chuyển đổi oxy giữa các dạng khí và rắn, vật liệu trải qua những thay đổi âm lượng lớn có thể phá vỡ các đường dẫn điện trong cấu trúc, làm hạn chế nghiêm trọng tuổi thọ của nó .

Bí mật của công thức mới là tạo ra các hạt cực nhỏ, ở quy mô nanomet (một phần tỷ mét), chứa cả lithium và oxy dưới dạng thủy tinh, được giữ chặt trong ma trận oxit coban. Các nhà nghiên cứu gọi các hạt này là nanolithia. Trong hình thức này, sự chuyển đổi giữa LiO ₂ , Li ₂ O ₂ và Li ₂ O có thể diễn ra hoàn toàn bên trong vật liệu rắn, ông nói.

Các hạt nanolithia thường sẽ không ổn định, vì vậy các nhà nghiên cứu đã nhúng chúng vào ma trận oxit coban, một vật liệu giống như bọt biển với lỗ chân lông chỉ vài nanomet. Ma trận ổn định các hạt và cũng hoạt động như một chất xúc tác cho các biến đổi của chúng.

Li giải thích, pin lithium-air thông thường, là loại pin oxy khô thực sự, bởi vì chúng thực sự không thể xử lý độ ẩm hoặc carbon dioxide, vì vậy chúng phải được lọc cẩn thận từ không khí đến để nạp pin. Bạn cần các hệ thống phụ trợ lớn để loại bỏ carbon dioxide và nước, và rất khó để làm điều này. Nhưng pin mới, không bao giờ cần phải hút vào bất kỳ không khí bên ngoài nào, sẽ giải quyết vấn đề này.

Tránh Lãng Phí

Nhóm pin mới cũng được bảo vệ khỏi việc sạc quá mức, nhóm nghiên cứu cho biết, vì phản ứng hóa học trong trường hợp này là tự giới hạn tự nhiên – khi được sạc quá mức, phản ứng chuyển sang một hình thức khác ngăn cản hoạt động tiếp theo. Với một loại pin thông thường, nếu bạn sạc quá mức, nó có thể gây ra thiệt hại cấu trúc không thể phục hồi hoặc thậm chí phát nổ, theo Li Li. Nhưng với pin nanolithia, chúng tôi đã sạc pin quá 15 ngày, gấp trăm lần công suất của nó, nhưng không có thiệt hại nào cả.

Trong các thử nghiệm đạp xe, một phiên bản trong phòng thí nghiệm của pin mới đã trải qua 120 chu kỳ xả sạc và cho thấy mất ít hơn 2% dung lượng, cho thấy loại pin này có thể có tuổi thọ hữu ích lâu dài. Và bởi vì pin như vậy có thể được lắp đặt và vận hành giống như pin lithium-ion rắn thông thường, không có bất kỳ thành phần phụ trợ nào cần thiết cho pin lithium-air, chúng có thể dễ dàng thích nghi với các cài đặt hiện có hoặc thiết kế pin thông thường cho ô tô, điện tử, hoặc thậm chí lưu trữ điện quy mô lưới.

Bởi vì các catốt oxy rắn cứng của Cameron này nhẹ hơn nhiều so với catốt pin lithium-ion thông thường, thiết kế mới có thể lưu trữ gấp đôi lượng năng lượng cho một trọng lượng catốt nhất định, nhóm nghiên cứu cho biết. Và với sự hoàn thiện hơn nữa về thiết kế, Li nói, pin mới cuối cùng có thể tăng gấp đôi công suất đó một lần nữa.

Tất cả điều này được thực hiện mà không cần thêm bất kỳ thành phần hoặc vật liệu đắt tiền, theo Li. Cacbonat họ sử dụng làm chất điện phân lỏng trong pin này là loại chất điện phân rẻ nhất, ông nói. Và thành phần oxit coban chỉ nặng chưa đến 50% thành phần nanolithia. Nhìn chung, hệ thống pin mới có thể mở rộng, giá rẻ và an toàn hơn nhiều so với pin lithium-air, Li nói.

Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ chuyển từ bằng chứng khái niệm quy mô phòng thí nghiệm này sang một nguyên mẫu thực tế trong vòng khoảng một năm.

Xi Đây là một bước đột phá cơ bản, có thể thay đổi mô hình của pin dựa trên oxy, ông Xiulei Ji, trợ lý giáo sư hóa học tại Đại học bang Oregon, người không tham gia vào công việc này. Trong hệ thống này, chất điện phân dựa trên carbonate thương mại hoạt động rất tốt với các tàu con thoi superoxide hòa tan, khá ấn tượng và có thể phải làm với việc không có bất kỳ O ₂ khí nào trong hệ thống kín này. Tất cả các khối hoạt động của cực âm trong suốt quá trình đạp xe đều chắc chắn, không chỉ có mật độ năng lượng lớn mà còn tương thích với cơ sở hạ tầng sản xuất pin hiện tại.

Theo Scitechdaily