Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Pin lithium-oxy mới cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng, tuổi thọ cao (05/08/2016)

Pin Lithium-không khí được đánh giá là công nghệ đầy hứa hẹn dành cho công nghiệp sản xuất ô tô điện và các thiết bị điện tử cầm tay do tiềm năng cung cấp hiệu suất năng lượng cao tỷ lệ với trọng lượng của thiết bị. Tuy nhiên, loại pin này có một số nhược điểm như: tiêu tốn nhiều năng lượng đưa vào ở dạng nhiệt và sụt pin rất nhanh. Bên cạnh đó, sử dụng pin này đòi hỏi phải có các linh kiện phụ trợ có giá thành cao để bơm khí oxy vào và ra, trong một cấu hình pin mở, đặc điểm này khác xa so với kiểu pin kín thông thường.

Tuy nhiên, một biến thể mới của hóa pin, được sử dụng với vai trò của kiểu pin kín hoàn toàn theo cách thông thường hứa hẹn có hiệu suất lý thuyết giống với pin lithium-không khí cũng như có thể khắc phục các khiếm khuyến trên.

Khái niệm về loại pin mới có tên gọi là pin nanolithia cathode được mô tả trong báo cáo kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Năng lượng Tự nhiên được thực hiện bởi Ju Li - giáo sư chuyên ngành Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân thuộc Liên minh Năng lượng, trường Đại học MIT, Zhi Zhu và năm chuyên gia khác thuộc MIT, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, và trường Đại học Bắc Kinh ở Trung Quốc.

Li giải thích: “Một trong những nhược điểm của pin lithium-không khí là điện áp sạc và xả pin trong quá trình sạc và xả pin không khớp nhau. Điện áp đầu ra của pin nhỏ hơn 1,2V so với điện áp sạc vào, cho thấy có sự tổn thất năng lượng khá lớn phát sinh trong mỗi chu kỳ sạc". “Bạn lãng phí 30% năng lượng điện ở dạng nhiệt trong quá trình sạc.. Thậm chí trong trường hợp bạn sạc nhanh thì có thể dẫn đến nguy cơ cháy, nổ”, Li cho biết.

Pin lithium-không khí thông thường hút oxy từ không khí bên ngoài vào để chạy phản ứng hóa học với lithium của pin trong chu kỳ xả pin, oxy này sau đó sẽ được giải phóng trở lại vào khí quyển trong suốt phản ứng đạo chiều của chu kỳ sạc. 

“Trong biến thể mới, các phản ứng điện hóa cùng loại xảy ra giữa lithium và oxy trong quá trình sạc và xả, nhưng không bao giờ để cho oxy trở lại dạng khí. Thay vào đó, oxy sẽ ở dạng chất rắn và trực tiếp chuyển đổi giữa 3 trạng thái oxy hóa khử, trong khi giới hạn ở ba hợp chất hóa học dạng rắn khác nhau là Li₂O, Li₂O₂, và LiO₂, kết hợp lại thành dạng thủy tinh. Điều này giúp hạn chế xảy ra tình trạng tổn thất điện áp hệ số 5, từ 1,2V đến 0,24V, vì thế, chỉ 8% năng lượng điện bị chuyển thành nhiệt, đồng nghĩa với việc ô tô sẽ sạc nhanh hơn, do quá trình thải nhiệt từ bộ pin không phải là một mối lo về vấn đề an toàn hay các lợi ích hiệu quả năng lượng”. Li cho biết.

Bước tiến này giúp khắc phục một vấn đề khác của pin lithium-không khí: Khi phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình sạc và xả chuyển đổi oxy giữa dạng khí và dạng rắn, vật chất sẽ trải qua sự biến đổi về thể tích lớn đến mức có thể phá vỡ các đường dẫn điện trong cấu trúc, hiện tượng này ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của pin.

Bí quyết của công thức chế tạo pin mới là tạo ra các hạt siêu nhỏ với kích thước nanomet (nm), chứa lithium và oxy ở dạng thủy tinh, được đặt vào trong một khuôn oxit coban. Các nhà nghiên cứu gọi các hạt này là nanolithia. Ở dạng này, quá trình chuyển đổi giữa LiO₂, Li₂O₂, và Li₂O hoàn toàn có thể xảy ra bên trong vật chất rắn.

Trên thực tế, các hạt nanolithia không ổn định nên nhóm nghiên cứu nhúng chúng vào khuôn oxit coban, một vật liệu giống như bọt biển với các lỗ có đường kính chỉ vài nm. Khuôn có tác dụng giúp cố định các hạt, đồng thời, đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình chuyển đổi. 

Li giải thích: “Pin lithium-không khí thông thường là pin oxy lithium khô, do chúng không thể xử lý ẩm và CO₂, do đó, cần lau thật kỹ không khí lọt vào pin. Việc sử dụng một hệ thống phụ trợ lớn để loại bỏ CO₂ và nước là rất cần thiết nhưng lại không dễ thực hiện. Tuy nhiên, đối với loại pin mới, việc hút không khí từ bên ngoài vào là không cần thiết, do đó, giúp khắc phục những hạn chế này”.

Nhóm nghiên cứu cho biết loại pin mới được thiết kế nhằm tránh trường hợp sạc quá tải. Do theo lẽ thông thường, phản ứng hóa học trong trường hợp này tự giới hạn hoạt động, nên khi pin bị quá tải, phản ứng sẽ chuyển sang dạng khác nhằm tránh rủi ro. "Với pin thông thường, tình trạng quá tải có thể gây tổn thương cấu trúc không thể đảo ngược hoặc thậm chí dẫn đến nguy cơ phát nổ", Li cho biết. “Tuy nhiên, chúng tôi đã thử nghiệm sạc pin nanolithia trong vòng 15 ngày, mức độ gấp một trăm lần công suất bình thường của nó, kết quả là không có thiệt hại gì xảy ra".

Trong thử nghiệm chu kỳ pin, một loại pin mới phiên bản phòng thí nghiệm được hoàn thành với 120 chu kỳ sạc-xả, kết quả cho thấy tổn thất công suất ít hơn 2%. Điều này chứng tỏ rằng tuổi thọ hữu dụng của pin là tương đối dài. Bởi vì thao tác lắp đặt và vận hành pin cũng giống như pin rắn thông thường mà không cần bất kỳ chi tiết phụ trợ cho pin lithium-không khí, chúng có thể dễ dàng thích ứng với cách lắp đặt hiện tại hay với bộ pin thông thường thiết kế cho ô tô, đồ điện tử hay thậm chí là lưu điện ở quy mô mạng lưới.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng cho biết: “Do các catot “oxy rắn” này nhẹ hơn nhiều so với các catot pin thông thường nên thiết kế pin mới có thể dự trữ lượng năng lượng gấp đôi đối với trọng lượng catot nhất định. Và với thiết kế được đánh giá là tinh tế hơn, pin mới cũng có thể đạt công suất gấp đôi”.

Loại pin mới được hoàn thiện mà không cần thêm bất kỳ chi tiết hay vật liệu đắt tiền nào. Cacbonat được sử dụng làm chất điện phân dạng lỏng trong loại pin này cũng là “loại chất điện phân rẻ tiền nhất”, Li cho biết. “Thành phần oxit coban có trọng lượng bằng một nửa so với thành phần nanolithia. Do đó, nhìn chung, công nghệ mới được đánh giá là có khả năng chuyển đổi, giá thành thấp và an toàn hơn nhiều so với pin lithium-không khí”.

Nhóm nghiên cứu hy vọng có thể chuyển đổi khái niệm mới từ phạm vi phòng thí nghiệm thành nguyên mẫu có thể được áp dụng trong thực tế trong vòng 1 năm tới.

“Có thể nói đây chính là một bước đột phá mang tính nền tảng, có khả năng biến đổi mô hình pin dựa trên việc sử dụng oxy”, Xiulei Ji - giáo sư chuyên ngành hóa học tại Đại học bang Oregon, người không tham gia vào nghiên cứu này cho biết. “Trong hệ thống này, chất điện phân gốc cacbonat thương mại hoạt động rất hiệu quả với chuyện động tịnh tiến đảo chiều của peoxit hòa tan, và phải hoạt động với tình trạng thiếu khí O₂ trong hệ thống kín này - đặc điểm này khá ấn tượng. Tất cả khối catot trong suốt chu kỳ ở dạng rắn, điều này không chỉ cho thấy mật độ năng lượng lớn mà còn cho thấy tính tương thích với hạ tầng sản xuất pin hiện tại”.

Nguồn: www.vista.gov.vn