Trong bước đột phá có thể định hình lại công nghệ năng lượng sạch, các nhà khoa học tại Đại học Surrey phát triển loại pin lithium-CO₂ không chỉ lưu trữ năng lượng hiệu quả mà còn thu giữ carbon dioxide trong quá trình này, biến ô nhiễm thành điện năng.
Loại pin thân thiện với môi trường này đánh dấu bước tiến đầy hứa hẹn, hướng tới các ứng dụng trong thế giới thực. Các nhà khoa học cho biết, nếu được thương mại hóa, loại pin này không chỉ có thể giúp cắt giảm khí thải từ xe cộ, các nguồn công nghiệp mà còn có thể hoạt động trên sao Hỏa, nơi bầu khí quyển có 95% là CO₂.
Theo tính toán sơ bộ của nhóm nghiên cứu, một kilogram chất xúc tác có thể hấp thụ khoảng 18,5 kilogram CO₂. Con số này tương đương với lượng khí thải từ một chuyến lái xe 100 dặm (160 km), nghĩa là loại pin này có thể bù đắp cho hơn một ngày đi làm.
Cho đến nay, pin lithium-CO₂ vẫn còn nhiều hạn chế, hao mòn nhanh, khả năng sạc lại kém và phụ thuộc vào các kim loại hiếm, đắt tiền như ruthenium, platinum. Nhưng các nhà khoa học tìm ra giải pháp thay thế: chất xúc tác có tên là caesium phosphomolybdate (CPM), không đắt và dễ sản xuất ở nhiệt độ phòng.
Kết hợp bởi mô hình máy tính và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, CPM giúp pin lưu trữ lượng điện gấp 2,5 lần so với pin lithium-ion, sạc với ít điện năng hơn và hoạt động đáng tin cậy trong hơn 100 chu kỳ. Để khám phá tính hiệu quả của CPM, các nhà nghiên cứu từ Trường Hóa học và kỹ thuật hóa học Surrey và Viện Công nghệ tiên tiến, tiến hành theo hai bước.lưu
Đầu tiên, họ tháo rời pin sau nhiều chu kỳ sạc-xả để kiểm tra những thay đổi về mặt hóa học bên trong. Các thử nghiệm cho thấy lithium carbonate - hợp chất hình thành khi hấp thụ CO₂ - có thể liên tục tích tụ và phân hủy, một đặc điểm quan trọng đối với hiệu suất lâu dài của pin.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình máy tính dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT) để mô phỏng cách các phản ứng diễn ra trên bề mặt vật liệu. Kết quả cho thấy cấu trúc xốp, ổn định của CPM tạo ra nền tảng lý tưởng cho các quá trình hóa học thúc đẩy hiệu suất của pin.
Khám phá này mở đường cho việc thiết kế vật liệu pin hiệu quả hơn, chi phí thấp hơn. Với nghiên cứu sâu hơn về cách chất xúc tác này tương tác với điện cực và chất điện phân, pin lithium-CO₂ có thể phát triển thành giải pháp thực tế, mở rộng quy mô để lưu trữ năng lượng sạch, đồng thời chủ động loại bỏ carbon khỏi khí quyển.
Nhóm nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc làm cho công nghệ này tiết kiệm chi phí hơn nữa, bằng cách phát triển chất xúc tác thay thế caesium, vì phosphomolybdate đóng vai trò quan trọng. Điều này có thể đưa hệ thống đến gần hơn với việc triển khai trên diện rộng, giá cả phải chăng.
Các nhà nghiên cứu cũng có kế hoạch nghiên cứu quá trình sạc và xả của pin theo thời gian thực để hiểu sâu hơn về cơ chế bên trong của pin, với mục tiêu cải thiện hiệu suất và độ bền hơn nữa, tập trung chủ yếu vào việc đánh giá hiệu suất của pin dưới các áp suất CO₂ khác nhau.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Science.
