Nhật Bản phát triển pin lithium hiệu quả có giá thành phải chăng
Pin lithium được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điện thoại di động, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng lớn, nhưng những kim loại sản xuất chúng như lithium, coban, niken, v.v. đang ngày càng ít hơn. Vì vậy, việc nâng cao dung lượng, hiệu quả và tính bền vững của pin lithium đã trở thành mục tiêu để nghiên cứu. Gần đây, một trường đại học Nhật Bản đã bổ sung thêm một số vật liệu vào pin lithium, giúp chúng hoạt động hiệu quả và bền vững hơn.
Vật liệu làm cực âm của pin lithium thường bao gồm lithium cobalt oxide (LiCoO2), lithium manganate (LiMn2O4), lithium nickel oxide (LiNiO2) và lithium iron phosphate (LiFePO4). Tuy nhiên, giá pin lithium có chứa cobalt và nickel đang không ngừng tăng lên. Việc sử dụng ồ ạt pin lithium trên khắp thế giới đã dẫn đến tình trạng thiếu các kim loại này. Vì lý do ấy, không ít người chuyển mục tiêu sang pin lithium liên quan đến sắt (Fe), vật liệu phổ biến nhất trên Trái Đất, với hy vọng cải thiện hiệu năng của chúng.
Khi các nhà khoa học nghiên cứu những sản phẩm pin lithium liên quan đến sắt, họ phát hiện ra rằng pin lithium làm từ vật liệu lithium iron phosphate có đặc tính an toàn cao, chi phí thấp, độc tính thấp và tuổi thọ dài. Nhưng vì mật độ năng lượng chỉ có khoảng 170mAh/g, vậy nên họ tìm kiếm các vật liệu cực âm gốc sắt khác, và cuối cùng đã tạo ra pin lithium sử dụng Li5FeO4 làm vật liệu cực âm. Mật độ năng lượng của nó là 300mAh/g và điện áp gần giống như lithium iron phosphate.
Tuy nhiên, các nhà khoa học phát hiện ra rằng Li5FeO4 tạo ra oxy trong quá trình tuần hoàn sạc, ngăn không cho pin thực sự bước vào phản ứng hóa học thuận nghịch. Điều này có nghĩa là pin không thể trải qua chu kỳ sạc và xả bình thường.
Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Tohoku, Viện Công nghệ Nagoya và Đại học Hokkaido, Nhật Bản, nơi có lịch sử gần 150 năm, đã cùng nhau phát triển một loại pin lithium có thể sạc lại mới. Người ta chỉ cần thêm một số thành phần thông thường vào vật liệu cực âm (cực dương) Li5FeO4 là có thể cải thiện mật độ năng lượng điện và khả năng tuần hoàn sạc của nó. Thành quả này đã được công bố trong “Thư tài liệu của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ” (ACS Materials Letters) https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c00268” vào ngày 22/04.
Ông Hiroaki Kobayashi, Phó giáo sư Khoa Hóa học tại Đại học Hokkaido, nói với phòng tin tức của trường này rằng, “Bây giờ chúng tôi đã phát hiện ra rằng, bằng cách pha tạp một lượng nhỏ các nguyên tố phong phú (như nhôm, silicon, phốt pho và lưu huỳnh) vào cấu trúc tinh thể của cực âm, tính năng tuần hoàn [của pin] có thể được cải thiện đáng kể.”
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhôm (Al), silicon (Si), germani (Ge), phosphor (P) và lưu huỳnh (S) làm chất dẫn để tạo thành “liên kết cộng hóa trị” với một bộ phận phân tử oxy của Li5FeO4. “Liên kết cộng hóa trị” nắm chặt lấy nguyên tử oxy, khiến nó không chạy ra ngoài trong quá trình phản ứng để cản trở phản ứng sạc và xả của pin.
“Liên kết cộng hóa trị” là liên kết hóa học vô cùng ổn định và kiên cố. Chúng được hình thành khi các electron dùng chung giữa các nguyên tử đạt đến trạng thái bão hòa, làm giảm sự chuyển đổi vị trí giữa các nguyên tử, vậy nên không dễ bị nhân tố bên ngoài gây nhiễu và phá hoại.
Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi điện cực Li5FeO4 được pha tạp phosphor, công suất phóng điện lần đầu của nó là gần 365mAh/g, tuy nhiên sau một số chu kỳ sạc và xả, công suất của nó giảm đi một phần. Nếu silicon được pha tạp, tỷ lệ duy trì dung lượng sẽ đạt gần 90%, nhưng khả năng oxy hóa khử (khả năng đảo ngược) của pin sẽ thấp. Sau khi pha tạp kim loại germani hoặc phosphor, hiệu suất của cực âm được tăng cường đáng kể. Tỷ lệ duy trì dung lượng pin sau khi sạc và xả cao hơn nhiều so với các nguyên tố khác.
Các nhà thí nghiệm cũng quan sát thấy rằng sau khi kết hợp các nguyên tố này vào Li5FeO4, công suất năng lượng, tính ổn định cũng như chu kỳ sạc và xả của nó đã được cải thiện. Tỷ lệ duy trì dung lượng pin tăng từ 50% lên khoảng 90%.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng họ tăng năng lượng của pin lithium có thể sạc lại chỉ bằng cách sử dụng các nguyên tố dồi dào trên Trái Đất như sắt, nhôm, silicon, phosphor và lưu huỳnh, v.v. Họ hy vọng sẽ biến pin lithium thành pin năng lượng cao và có chi phí thấp.
