Nghiên cứu mới về pin âm điện Fluoride

(28/12/2018)
Khám phá mới dựa trên các ion fluoride có thể tăng tuổi thọ của pin gấp nhiều lần.

Không cần phải sạc điện thoại hoặc máy tính xách tay trong nhiều tuần, đó là giấc mơ mà các nhà nghiên cứu pin thay thế cho phiên bản pin lithium-ion phổ biến hiện nay đang hướng tới.

Gần đây, tạp chí Science mới xuất bản một công bố là kết quả hợp tác của các nhà hóa học từ Viện công nghệ California (Caltech), Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực JPL (thuộc NASA), Viện Nghiên cứu Honda và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, về nghiên cứu theo hướng mới để tạo ra pin sạc dựa trên chất Fluoride – là một anion (ion mang điện tích âm) của nguyên tố Flo.

Đồng tác giả nghiên cứu Robert Grubbs, giáo sư hóa học của Caltech và cũng là chủ nhân của giải thưởng Nobel về hóa học năm 2005, cho biết: "Pin fluoride có mật độ năng lượng cao hơn, đồng nghĩa với việc chúng có thể duy trì lâu hơn đến 8 lần so với các loại pin đang sử dụng hiện nay. Nhưng việc chế tạo và sử dụng pin fluoride lại là một thách thức lớn, đặc biệt vì nó rất dễ bị ăn mòn và có phản ứng hóa học mạnh."

Vào những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra pin fluoride có thể sạc lại bằng cách sử dụng các thành phần rắn, nhưng pin trạng thái rắn chỉ hoạt động ở điều kiện nhiệt độ cao, điều này không thực tế trong việc sử dụng đời sống hàng ngày. Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học cuối cùng đã tìm ra cách làm cho pin flouride hoạt động bằng cách sử dụng các thành phần lỏng - và pin lỏng dễ dàng hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Simon Jones, nhà hóa học tại JPL và tác giả liên lạc của nghiên cứu mới, cho biết: "Chúng tôi vẫn đang trong giai đoạn ban đầu để phát triển [công nghệ], nhưng đây là loại pin sạc fluoride đầu tiên hoạt động ở nhiệt độ phòng".

Thông thường, pin tạo ra dòng điện bằng cách dịch chuyển các nguyên tử tích điện (ion) giữa cực dương và cực âm. Quá trình dịch chuyển này xảy ra dễ dàng hơn ở nhiệt độ phòng khi sử dụng chất lỏng để cấu thành pin. Trong trường hợp pin lithium-ion, lithium được dịch chuyển giữa các điện cực với sự trợ giúp của chất điện phân là dung môi lỏng.

Đồng tác giả Thomas Miller, giáo sư hóa học tại Caltech, cho biết: "Việc sạc pin giống như thể đẩy quả bóng lên đỉnh đồi rồi để nó lăn xuống, lặp đi lặp lại như vậy. Chúng ta cứ tích năng lượng rồi sử dụng nó”

Trong khi các ion lithium là điện tích dương (gọi là cation), các ion fluoride được sử dụng trong nghiên cứu mới lại mang điện tích âm (và được gọi là anion). Việc sử dụng anion trong pin bao gồm nhiều thách thức và lợi thế khác nhau.

"Để pin có thời gian sử dụng lâu hơn, ta cần di chuyển số lượng điện tích lớn hơn. Việc di chuyển các cation kim loại tích điện rất khó, nhưng chúng ta có thể đạt được kết quả tương tự bằng cách di chuyển chỉ một vài anion tích điện đơn mà lại dễ dàng hơn", Jones, người chuyên nghiên về các nguồn năng lượng cần thiết cho tàu vũ trụ, cho biết. "Nhưng thách thức cho quá trình này là làm sao cho hệ thống có thể hoạt động được ở mức hiệu điện thế thông thường sử dụng. Trong nghiên cứu mới này, chúng tôi chứng minh rằng anion thực sự là một nhân tố đầy hứa hẹn trong ngành khoa học về pin vì Fluoride có thể hoạt động ở điện áp đủ cao."

Chìa khóa làm cho pin Fluoride có thể hoạt động ở dạng lỏng chứ không phải ở trạng thái rắn là chất lỏng điện phân có tên gọi bis (2,2,2-trifluoroethyl) ether, hoặc BTFE. Dung môi này giúp giữ cho ion Fluoride ổn định để có thể đưa các electron qua lại trong pin.

Jones cho biết, thực tập sinh của ông vào thời điểm đó, cô Victoria Davis, hiện đang học tại ĐH Bắc Carolina, Chapel Hill, là người đầu tiên nghĩ đến việc thử BTFE. Mặc dù Jones không có nhiều hy vọng nó sẽ thành công, nhưng nhóm đã quyết định thử và thật ngạc nhiên khi nó hoạt động rất tốt.

Khi đó, Jones đã nhờ Miller giúp đỡ để hiểu lý do tại sao giải pháp này hiệu quả. Miller và nhóm của ông đã chạy mô hình mô phỏng trên máy tính về quá trình phản ứng và tìm ra khía cạnh nào của BTFE đã giúp ổn định fluoride. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã có thể điều chỉnh dung dịch BTFE, sửa đổi nó bằng các chất phụ gia để cải thiện hiệu suất và tính ổn định của nó.

"Chúng tôi đang mở khóa cho một cách thức mới để tạo ra loại pin duy trì lâu dài", Jones nói. "Fluoride một lần nữa lại được xem xét trong việc chế tạo pin.”

Theo Khoahocphattrien

Tin khác