Các nhà nghiên cứu tại MIT đã đạt được 1 bước tiến mới trong công nghệ pin lithium-air.
Năm ngoái, các nhà nghiên cứu tại viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã chứng minh thành công khả năng hoạt động và hiệu suất của loại pin lithium-air (lithium-oxygen) qua việc sử dụng các điện cực với xúc tác là vàng hoặc platinum. Hôm nay, tờ MIT News lại tiếp tục cho biết qua quá trình phát triển, các nhà nghiên cứu đã có thể tăng khả năng lưu trữ năng lượng của pin lithium-air mà không làm thay đổi trọng lượng với việc thay thế các điện cực bằng sợi cacbon.
Pin lithium-air mang lại mật độ năng lượng cao chính là nhờ vào mối liên kết giữa điện cực dương bằng lithium và oxy trong không khí thông qua một điện cực âm bằng cacbon có cấu trúc lỗ hổng. Trong quá trình xả pin, các ion lithium sẽ "trôi" từ điện cực dương thông qua chất điện phân và kết hợp với oxy để hình thành lithium oxit đến điện cực âm. Và trong quá trình sạc, lithium oxit tiếp tục chia tách thành lithium và oxy, quy trình tương tự sẽ có thể bắt đầu trở lại.
Các hạt lithium peroxit hình thành dưới dạng các chấm nhỏ trên sợi cacbon (trái) và có thể lớn bằng hạt đậu (phải) khi pin tiếp tục quá trình xả.
Với điện cực bằng hơi cacbon được sử dụng trong cuộc nghiên cứu vào năm ngoái, các nhà khoa học chỉ có được khoảng 70% khoảng trống nhưng điện cực bằng sợi cacbon mới lại có nhiều lỗ hổng hơn và tăng tỉ lệ khoảng trống lên đến 90%. Điều này có nghĩa điện cực bằng sợi cacbon có thể lưu trữ nhiều lithium oxit hơn nhằm lấp đầy các lỗ trống trong quá trình xả pin.
Các ion lithium kết hợp với oxy trong không khí hình thành các hạt lithium oxit và chúng sẽ bám dính vào các sợi cacbon trên điện cực khi pin đang trong quá trình sử dụng.
Các nhà nghiên cứu cho rằng điện cực bằng sợi cacbon có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn gấp 4 lần so với các điện cực trong pin lithium-ion hiện nay với cùng trọng lượng pin. Tuy nhiên, nữ giáo sư kỹ thuật hóa học, khoa học và kỹ thuật vật liệu kiêm tác giả của tờ MIT News - Yang Shao-Horn cho biết công tác nghiên cứu và phát triển vẫn phải hoàn tất trước khi dự án được chuyển đổi từ phòng thí nghiệm trở thành sản phẩm thương mại.
Nghiên cứu trên hiện đã được đăng tải trên tạp chí "Energy and Environmental Science".
Nhắc lại nghiên cứu về pin lithium-air do MIT thực hiện năm ngoái:
Trích:
Theo Gizmag (05/04/2010): Với tiềm năng mang lại mật độ năng lượng cao hơn gấp 3 lần so với pin lithium-ion thông thường, rất nhiều công ty trong đó có IBM và General Motors đang cố gắng theo đuổi và phát triển pin lithium-air. Gần đây, các nhà nghiên cứu tại MIT đã đạt được một bước tiến mới nhằm góp phần hiện thực hóa và thương mại hóa loại pin sạc đặc biệt này.
Mẫu thử nghiệm pin lithium-air do MIT phát triển với 1 cửa nạp và 1 cửa xả ở 2 bên để không khí có thể đi vào, nhằm cung cấp oxy cho quá trình hoạt động của pin.
Lithium-air hay còn được biết đến với tên gọi lithium-oxygen về cơ bản thì khá giống với pin lithium-ion. Tuy nhiên, tính điện hóa của pin lithium-air lại phụ thuộc vào mối liên kết giữa điện cực dương lithium và oxy trong không khí thông qua một điện cực âm bằng khí gốc cacbon thay vì các hợp chất nặng thường thấy trên pin lithium-ion. Điều này có nghĩa pin lithium-air có mật độ năng lượng cao hơn bởi nó có cực âm nhẹ hơn và oxy luôn có sẵn trong môi trường xung quanh mà không nhất thiết phải được lưu trữ trong pin.
Tuy nhiên, thật không may là pin lithium-air vẫn chưa được thương mại hóa thật sự bởi các nhà khoa học vẫn băn khoăn về việc lựa chọn vật liệu làm điện cực phù hợp nhằm thúc đẩy phản ứng điện hóa diễn ra bên trong pin. Giờ đây, một nghiên cứu mới của MIT đã cho thấy rằng với vàng hoặc platinum làm chất xúc tác, hoạt động điện hóa trong pin lithium-air đã được nâng cao và hiệu quả hơn nhiều so với việc chỉ sử dụng điện cực cacbon đơn thuần. Phát hiện này sẽ làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm khám phá những vật liệu khác tốt hơn để làm điện cực với chi phí không quá đắt đỏ.
Trước tình thế ngày càng nhiều thiết bị và vật dụng cần sử dụng pin rời để hoạt động thì các nhà sản xuất xe hơi cũng không phải là ngoại lệ. Pin sạc có thể vận hành xe điện và việc phát triển của pin lithium-air với mật độ lưu trữ cao được xem là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực này. Pin lithium-air hứa hẹn sẽ kéo dài thời gian sử dụng thiết bị và mở rộng phạm vi hoạt động cho xe điện.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại MIT cũng thừa nhận họ đang đối mặt với một số vấn đề cần phải giải quyết trước khi pin lithium-air được thương mại hóa.
Lithium là một kim loại, nó được sử dụng trong pin lithium-air và phản ứng mạnh khi có sự hiện diện của nước, dù chỉ là một lượng rất ít. Đối với pin lithium-ion thì đây không phải là vấn đề lớn bởi vật liệu cacbon đã được sử dụng làm điện cực âm nhưng trên pin lithium-air thì cực âm là một khí gốc cacbon. Vì vậy, phó giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại MIT - Shao-Horn cho rằng yếu tố cơ bản tương đồng giữa 2 loại pin có thể được áp dụng để tìm ra giải pháp thay thế, có thể là than chì hoặc một vật liệu nào đó nhẹ và ổn định để làm điện cực âm.
Thế nhưng, vấn đề lớn nhất vẫn là làm sao để hệ thống giữ được năng lượng sau nhiều lần sạc/xả để pin có thể sử dụng cho các phương tiện cũng như thiết bị điện tử. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng cần phải tìm hiểu chi tiết về đặc tính hóa học của quá trình sạc và xả, qua đó nhận biết được các hợp chất nào được sản sinh và ở đâu cũng như làm thế nào chúng phản ứng với các hợp chất khác trong hệ thống.
Thêm vào đó, nhà nghiên cứu Gholam-Abbas Nazri đến từ trung tâm GM Research & Development tại Michigan cho biết họ cần phải giải quyết khúc mắc quan trọng trong việc phát triển công nghệ, cụ thể là việc tìm ra chất xúc tác phù hợp. Nazri cho rằng đây là việc cần phải làm nhằm "định hướng chính xác cho những hiểu biết và phát triển sau này về công nghệ pin lithium-air".
Trong khi một số công ty đang theo đuổi công nghệ pin lithium-air và cho rằng đây là một chương trình phát triển 10 năm thì nữ giáo sư Shao-Horn nói vẫn còn quá sớm để dự đoán về thời điểm loại pin này được thương mại hóa. "Lithium-air là một lĩnh vực rất hứa hẹn nhưng vẫn còn rất nhiều thử thách về khoa học và kỹ thuật mà chúng ta cần phải vượt qua. Nếu nó thực sự chứng minh được mật độ lưu trữ năng lượng so với pin lithium-ion hiện nay thì nhiều khả năng ứng dụng đầu tiên của pin lithium-air sẽ là các thiết bị điện tử cầm tay như máy tính hay điện thoại di động và ở một cấp độ cao hơn, nó sẽ được sử dụng làm nguồn năng lượng cho các phương tiện chạy điện một khi chi phí sản xuất được giảm xuống."
Nghiên cứu của MIT được xuất bản trên tạp chí "Electrochemical and Solid-State Letters" với tựa đề "The Influence of Catalysts on Discharge and Charge Voltage of Rechargeable Li-Oxygen Batteries".
