Các nhà nghiên cứu chế tạo thành công loại pin có thể thay thế pin lithium

Công nghệ 14/01/2021 - 18:04

Kẽm là có chi phí rất rẻ và luôn dồi dào, đây có thể là giải pháp thay thế pin lithium trong tương lai

Các nhà nghiên cứu chế tạo thành công loại pin có thể thay thế pin lithium - ảnh 1

pin thay thế pin lithium thông dụng (Ảnh: arstechnica)

Hầu hết các loại pin dùng một lần đều là pin kiềm. Chúng hoạt động ở độ PH cao và thường sử dụng kẽm làm chất dẫn điện. Kẽm là sự lựa chọn hợp lý vì nó có giá thành rẻ và có thể sử dụng để chế tạo một trong hai điện cực, trong bối cảnh phù hợp nó còn cho phép sử dụng không khí ở điện cực kia. Những điều trên cho phép viên pin ngày nay nhỏ gọn hơn và có trọng lượng nhẹ hơn.

Nhưng yếu điểm của những viên pin này là chúng chỉ có thể sử dụng một lần. Khí cacbonic từ không khí phản ứng với chất điện phân, tạo thành các muối cacbonat chặn một điện cực lại. Kẽm cũng không tích tụ lại một cách gọn gàng trên điện cực mà nó sinh ra, thay vào đó nó tạo ra các cấu trúc có gai gọi là đuôi gai và có thể làm cạn pin. Mới đây một nhóm nghiên cứu quốc tế đã tìm ra cách chế tạo một loại pin kẽm có khả năng sạc lại được.

Mô tả của pin kiềm kẽm khá đơn giản. Lá kim loại kẽm đóng vai trò như một điện cực, với mỗi ion kẽm giải phóng hai điện tử. Ở điện cực khác, các phân tử oxy trong không khí nhận bốn trong số các điện tử này, phá vỡ phân tử và cấu tạo oxit kẽm. Những điều đặc biệt lại nằm ở trung gian phản ứng. Trong trường hợp này, chất trung gian quan trọng là ion hydroxit, được hình thành tự nhiên trong pH kiềm của chất điện phân gốc nước. Nó tham gia vào một số phản ứng với kẽm, không phản ứng trực tiếp với oxy trong không khí.

Các ion hydroxit cũng là nguồn gốc của những vấn đề với pin kẽm không khí, vì chúng đều là chất trung gian trong các phản ứng chuyển carbon dioxide thành cacbonat. Các muối cacbonat này bao phủ lên điện cực nơi oxy phản ứng và sau đó chặn nó lại. Có thể thay thế một phần nào đó không khí bằng oxy tinh khiết, nhưng điều này chỉ làm tăng thêm thời gian tồn tại khoảng 10 chu kỳ. Các nhà khoa học cho rằng việc xử lý các ion hydroxit không nhất thiết phải giải quyết các đuôi gai trên tấm kim loại kẽm mà thay vào đó có thể xử lý các vấn đề liên quan đến điện cực không khí.

Đây không chỉ đơn giản là vấn đề về việc thay đổi pH của dung dịch điện phân vì các ion hydroxit hình thành trong nước ở độ pH trung tính và thậm chí có tính axit. Trong điều kiện bình thường, sự phân hủy oxy ở điện cực không khí xảy ra thông qua chất trung gian hydroxit. Vì vậy các nhà nghiên cứu đã thay thế các điều kiện kiềm bằng một chất điện phân có phần kỵ nước hoặc đẩy nước. Thứ hóa chất mà các nhà nghiên cứu đã sử dụng là trifluoromethanesulfornate. Chất này về cơ bản là một ion sulfat liên kết với một carbon. Phần cacbon-flo của phân tử nước trong khi phần sunfat có thể tương tác với các ion kẽm.

Việc chuyển sang chất điện phân mới giúp ngăn chặn kẽm ở mức độ ổn định nhất. Nhưng quan trọng hơn là nó có tác động lớn đến phản ứng ở điện cực không khí. Phản ứng bình thường liên quan đến việc phá vỡ phân tử O2 thông qua chất trung gian hydroxit. Với chất điện phân mới, các chất trung gian hydroxit ngừng hình thành. Kết quả chỉ có hai phân tử oxy tạo ra một peroxit. Kết quả là ZnO2 hình thành khi pin phóng điện, thay vì oxit kẽm (ZnO).

Trên hết, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra sự hình thành các sợi kẽm peroxide khi thải ra ngoài và chúng sẽ biến mất trong quá trình sạc lại. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng những thay đổi áp suất liên quan đến oxy được kết hợp vào pin trong quá trình xả và giải phóng khi pin được sạc lại. Khi các lá kẽm được sử dụng để làm điện cực. hơn 80% kẽm đã được sử dụng để phóng điện. Thay thế nó bằng bột kẽm đã tăng mức sử dụng kẽm lên 94%.

Các kết quả thu được khiến cho các nhà khoa học hết sức bất ngờ. Thay vì chết sau một vài chu kỳ như bình thường, các nhà nghiên cứu đã xoay xở để sạc một viên pin trong 1600 giờ. Trong hầu hết thời gian, việc hình thành đuôi gai không phải là vấn đề và dung lượng trên mỗi trọng lượng ở mức cao gấp đôi so với một số loại pin lithium.

Tất nhiên, những vấn đề về pin không được giải quyết hoàn toàn. Lý do là bởi pin phụ thuộc vào không khí nên nước trong chất dẫn điện sẽ bay hơi theo thời gian. Vấn đề lớn nhất có lẽ chính là tốc độ sạc bởi trong một chu kỳ sạc - xả mất tời 20 giờ. Nếu chúng ta tăng mật độ dòng điện lên gấp 10 lần thì pin chỉ chạy được trong 160 giờ. Tăng mật độ sạc nhiều hơn khi chúng ta bắt đầu phá vỡ cấu trúc nước thay vì vận hành pin. Nhóm nghiên cứu cho rằng chất xúc tác thúc đẩy sự hình thành peroxide có khả năng tăng tốc độ sạc và xả.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng loại lý thuyết hóa tương tự có thể hoạt động với các kim loại khác nhau bao gồm magiê và nhôm và cả 2 chất kim loại này có chi phí rẻ. Đây có thể là những sự lựa chọn để cho các nhà sản xuất pin tối ưu.

Theo Arstechnica

Minh Quang