Một bước đột phá phản trực quan trong hóa học pin
Trong nhiều năm, các nhà sản xuất pin đã xem nước như một kẻ thù. Các quy trình sản xuất pin sạc thường liên quan đến việc sấy khô cẩn thận các vật liệu điện cực ở nhiệt độ cao để loại bỏ bất kỳ dấu vết ẩm nào. Bây giờ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Surrey đã lật ngược giả định đó bằng một phát hiện có thể thay đổi kinh tế học của lưu trữ năng lượng quy mô lưới.
Nhóm này đã phát hiện ra rằng giữ các phân tử nước bên trong vật liệu cathode của pin natrium-ion gần như tăng gấp đôi khả năng lưu trữ năng lượng của chúng so với các phiên bản mất nước của cùng một vật liệu. Những phát hiện này, được công bố trong Tạp chí Hóa học Vật liệu A, gợi ý rằng cách tiếp cận tiêu chuẩn của ngành công nghiệp đối với sản xuất pin có thể đã bỏ lỡ những lợi ích hiệu suất đáng kể.
"Vật liệu này thể hiện hiệu suất và độ ổn định mạnh hơn nhiều so với dự kiến," cho biết nhà nghiên cứu chính Daniel Commandeur từ Đại học Surrey. Phát hiện này mở ra một con đường hứa hẹn cho pin natrium-ion, những cái lâu nay đã vật lộn để phù hợp với mật độ năng lượng của các loại pin lithium-ion đối tác mặc dù cung cấp những lợi thế hấp dẫn về chi phí và tính bền vững.
Nước siêu sạc hiệu suất pin natrium-ion như thế nào
Cơ chế đằng sau cải tiến này rất đơn giản. Các cathode trong nghiên cứu được tạo từ vanadate hydrate nanostructured, hoặc NVOH. Khi các phân tử nước vẫn được nhúng trong cấu trúc tinh thể của vật liệu, chúng gây ra sự giãn nở nhẹ của các lớp bên trong cathode. Khoảng cách mở rộng này tạo ra không gian bổ sung để các ion natrium có thể chuyển động vào và ra ngoài trong suốt các chu kỳ sạc và xả.
Hãy tưởng tượng nó giống như mở rộng các lối đi trong một kho hàng. Với không gian di chuyển lớn hơn, các ion natrium có thể chảy tự do hơn và với số lượng lớn hơn, cho phép cathode chấp nhận và giải phóng nhiều điện tích hơn cho mỗi chu kỳ. Các phân tử nước về cơ bản hoạt động như các trụ cấu trúc, đỡ mở kiến trúc phân lớp của cathode và ngăn chặn sự sụp đổ trong quá trình lặp lại.
Các pin thử nghiệm được xây dựng bằng vật liệu cathode hydrated duy trì sự ổn định trong hơn 400 chu kỳ sạc, chứng minh rằng nước không làm suy giảm hoặc làm mất ổn định điện cực theo thời gian. Vật liệu NVOH hiện được coi là một trong những vật liệu cathode hiệu suất cao nhất cho pin natrium-ion, một lớp công nghệ mà các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp ngày càng xem xét như một bổ sung cho lithium-ion cho các ứng dụng lưu trữ cố định.
Tại sao pin natrium-ion quan trọng
Pin lithium-ion thống trị thị trường pin sạc vì lý do chính đáng. Chúng đóng gói năng lượng to lớn vào một gói nhẹ và nhỏ, làm cho chúng lý tưởng cho điện thoại thông minh, máy tính xách tay và xe điện. Nhưng lithium đi kèm với hành lý. Nguyên tố này được tập trung ở một số ít các quốc gia, khai thác nó đòi hỏi một lượng nước khổng lồ, và những phức tạp địa chính trị của các chuỗi cung ứng lithium đã trở thành mối quan tâm ngày càng tăng đối với các chính phủ và nhà sản xuất.
Natrium, ngược lại, là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên Trái đất. Nó có thể được chiết xuất từ nước biển với một phần chi phí của khai thác lithium, và pin natrium-ion nói chung an toàn hơn để hoạt động, với rủi ro thấp hơn về quá tải nhiệt và cháy. Những ưu điểm này làm cho công nghệ natrium-ion đặc biệt hấp dẫn cho lưu trữ lưới quy mô lớn, nơi trọng lượng và kích thước ít quan trọng hơn chi phí, an toàn và khả năng phục hồi chuỗi cung ứng.
Điều bắt buộc luôn là mật độ năng lượng. Pin natrium-ion lưu trữ năng lượng ít hơn đáng kể trên một đơn vị trọng lượng hoặc thể tích so với các pin lithium-ion, hạn chế các ứng dụng thực tế của chúng. Phát hiện của nhóm Surrey bằng cách gần như tăng gấp đôi dung lượng cathode, đạt được một bước có ý nghĩa để đóng cái khoảng cách đó.
Một phát hiện khác: Tiềm năng khử mặn
Theo một cách bất ngờ, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng vật liệu cathode hydrated của họ hoạt động hiệu quả như một điện cực khử mặn. Khi được sử dụng trong cấu hình khử mặn điện hóa, vật liệu NVOH có thể loại bỏ muối khỏi nước trong khi đồng thời lưu trữ năng lượng. Khả năng hai mục đích này nâng cao khả năng hấp dẫn của các hệ thống pin có thể được tích hợp với các nhà máy khử mặn trong các cộng đồng ven biển, sản xuất cả năng lượng lưu trữ và nước ngọt từ nước biển.
Mặc dù những ứng dụng như vậy vẫn còn là suy đoán, phát hiện này gợi ý tiềm năng rộng hơn cho vật liệu vượt ra ngoài việc sử dụng pin thông thường. Trong các khu vực nơi cả nước sạch và lưu trữ năng lượng đáng tin cậy đều là những nhu cầu cấp bách, một công nghệ giải quyết cả hai thách thức đồng thời có thể chứng minh rằng nó có tính chất biến đổi.
Con đường dẫn đến thương mại hóa
Những ý nghĩa trực tiếp của phát hiện này là quan trọng nhất đối với ngành công nghiệp pin natrium-ion đang phát triển. Các công ty ở Trung Quốc, bao gồm CATL và HiNa Battery, đã bắt đầu sản xuất thương mại các tế bào natrium-ion cho xe điện và lưu trữ lưới. Nếu phương pháp cathode hydrated có thể được mở rộng và tích hợp vào các quy trình sản xuất hiện tại, nó có thể cải thiện đáng kể tính cạnh tranh của công nghệ natrium-ion so với các lựa chọn thay thế lithium-ion.
Sự đơn giản của phương pháp này đặc biệt khích lệ. Thay vì yêu cầu những vật liệu mới kỳ lạ hoặc các kỹ thuật sản xuất phức tạp, cải tiến này đến từ việc làm ít hơn, cụ thể là bỏ qua bước sấy yêu cầu năng lượng cao là thực hành tiêu chuẩn trong sản xuất cathode. Điều này có thể chuyển đổi thành cả hiệu suất tốt hơn và chi phí sản xuất thấp hơn, một sự kết hợp hiếm trong nghiên cứu pin.
Khi thế giới đang cố gắng xây dựng cơ sở hạ tầng lưu trữ năng lượng cần thiết để hỗ trợ các lưới năng lượng tái tạo, các công nghệ pin giá cả phải chăng và có thể mở rộng sẽ rất quan trọng. Công việc của nhóm Surrey gợi ý rằng câu trả lời cho những pin tốt hơn có thể đã bị ẩn giấu trước mặt mọi người từ lâu, trong nước mà các nhà sản xuất đã cẩn thận loại bỏ.
Bài viết này dựa trên báo cáo của New Atlas. Đọc bài viết gốc.
