Các nhà khoa học Trung Quốc chế tạo pin ion hydride hoạt động đầu tiên trên thế giới

Các nhà khoa học Trung Quốc mở ra hướng đi mới cho sự phát triển xanh của quốc gia này sau khi thiết kế thành công pin ion hydride hoạt động đầu tiên trên thế giới, qua đó giới thiệu các giải pháp mới cho việc lưu trữ năng lượng trong tương lai.

Nhóm nghiên cứu của Viện vật lý hóa học Dalian (DICP), thuộc Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc, tạo ra một nguyên mẫu thể rắn hoàn toàn, bằng cách sử dụng natri nhôm hydride (NaAlH₄).

Theo báo cáo, họ sử dụng hợp chất rắn vô cơ làm điện cực dương và cerium dihydride nghèo hydro làm điện cực âm. Cả hai đều là vật liệu lưu trữ hydro thường được sử dụng cho các ứng dụng năng lượng.

Các nhà nghiên cứu cho biết, về nguyên tắc, việc sử dụng hydro làm chất mang điện tích có thể tránh được sự hình thành các dendrite kim loại có hại, từ đó mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc lưu trữ và chuyển đổi năng lượng sạch.

Theo nhóm nghiên cứu, các ion hydride (H⁻) được coi là chất mang điện tích đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện hóa thế hệ tiếp theo, nhờ khối lượng riêng thấp và có khả năng oxy hóa khử cao.

Tuy nhiên, việc thiếu chất điện phân hiệu quả với độ dẫn ion hydride nhanh, độ ổn định nhiệt và khả năng tương thích điện cực đã cản trở các ứng dụng thực tế của chúng.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại DICP phát triển một chất điện phân ion hydride có cấu trúc lõi-vỏ và một nguyên mẫu pin ion hydride thể rắn hoàn toàn có cấu trúc dạng bánh sandwich.

Các nhà nghiên cứu tổng hợp vật liệu 3CeH₃@BaH₂ bằng thiết kế lấy cảm hứng từ dị hợp tử, trong đó lớp vỏ barium hydride (BaH₂) mỏng bao bọc cerium trihydride (CeH₃). Cấu trúc này tận dụng độ dẫn ion hydride cao của CeH₃ và độ ổn định của BaH₂.

Nó cho phép dẫn ion hydride nhanh ở nhiệt độ phòng cùng với độ ổn định nhiệt và điện hóa cao. Nhóm nghiên cứu cho biết, họ đã phát triển một hydride lõi-vỏ 3CeH₃@BaH₂, có khả năng dẫn ion H⁻ nhanh ở nhiệt độ môi trường, trở thành chất dẫn siêu ion ở nhiệt độ trên 60 độ C.

Sau đó, họ sử dụng nó để chế tạo CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄, nguyên mẫu pin ion hydride có thể sạc lại đầu tiên. Điện cực dương của pin có dung lượng xả riêng ban đầu là 984 mAh/g ở nhiệt độ phòng. Nó cũng duy trì 402 mAh/g sau 20 chu kỳ.

Các nhà khoa học cho biết, thiết kế mới này cho phép dẫn ion hydride hiệu quả ở nhiệt độ phòng. Nó cũng giải quyết được một nút thắt cổ chai lâu đời, khiến công nghệ này chỉ tồn tại trên lý thuyết trong nhiều năm.

Họ xác nhận rằng điện áp hoạt động của cải tiến này đạt 1,9 vôn (V) trong cấu hình xếp chồng. Nó cung cấp nguồn cho một đèn diode phát quang màu vàng, một ví dụ điển hình cho các ứng dụng thực tế.

Theo nhóm nghiên cứu, giải pháp tiên phong này đánh dấu bước tiến lớn trong việc chế tạo nguyên mẫu pin ion hydride đầu tiên, đưa công nghệ từ khái niệm lý thuyết sang bằng chứng thực nghiệm về tính khả thi của nó.

Bằng cách sử dụng hydro làm chất mang điện tích, công nghệ này tránh được sự hình thành dendrite, mở đường cho việc lưu trữ năng lượng an toàn, hiệu quả và bền vững, các nhà nghiên cứu cho hay trong một thông cáo báo chí.

Họ chỉ ra pin ion hydride có tiềm năng mạnh mẽ cho việc lưu trữ và chuyển đổi năng lượng sạch, nhờ các đặc tính có thể điều chỉnh của vật liệu gốc hydride. Công nghệ này kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống lưu trữ quy mô lớn, lưu trữ hydro, nguồn điện di động và các ứng dụng năng lượng chuyên dụng. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.