Trong bước tiến lớn hướng tới công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo, các nhà nghiên cứu tạo ra loại pin lithium-air, có thể sánh ngang với xăng về mật độ năng lượng, cung cấp dung lượng gấp 4 lần so với pin lithium-ion hiện nay.
Nếu được hiện thực hóa ở quy mô lớn, bước đột phá này có thể thay đổi mọi thứ, từ xe điện đến hệ thống lưu trữ lưới điện.
Sự phát triển tiến bộ này, do các nhà khoa học tại Viện công nghệ Illinois và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Hoa Kỳ dẫn đầu, xoay quanh việc đạt được phản ứng hóa học 4 electron - một kỳ tích chưa từng đạt được trước đây trong pin lithium-air hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Điều này rất quan trọng vì hầu hết loại pin lithium chỉ có thể khai thác phản ứng với một hoặc hai electron, hạn chế lượng năng lượng mà chúng có thể lưu trữ.
Thông thường, pin lithium-air tạo ra lithium superoxide (LiO₂) hoặc lithium peroxide (Li₂O₂), cả hai đều giới hạn sản lượng năng lượng. Thiết kế pin mới vượt qua giới hạn đó bằng cách cho phép hình thành và phân hủy oxide lithium (Li₂O), một cách phản ứng lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Pin lithium-air bao gồm một cực dương kim loại lithium, một cực âm gốc không khí và một chất điện phân polymer ceramic rắn (CPE). Khi xả và sạc, các ion lithium (Li+) đi từ cực dương đến cực âm, sau đó quay trở lại.
Điểm mấu chốt của đột phá này là sự phát triển chất điện phân thể rắn được nhúng các hạt nano giàu lithium. Chất điện phân tổng hợp này, được chế tạo bằng ma trận oxide polymer ceramic-polyethylene, thay thế chất điện phân lỏng dễ cháy sử dụng trong các thiết kế pin thông thường.
Bằng cách loại bỏ nguy cơ rò rỉ hoặc cháy, cấu hình trạng thái rắn mới không chỉ cải thiện độ an toàn mà còn ổn định các quá trình điện hóa của pin, vốn rất cần thiết để hỗ trợ các phản ứng năng lượng cao hơn theo thời gian.
Cốt lõi của phản ứng hóa học này là chất xúc tác mạnh mẽ: trimolybdenum phosphide (Mo₃P). Chất xúc tác này tạo điều kiện cho quá trình chuyển dịch 4 electron quan trọng, đồng thời đảm bảo phản ứng vẫn ổn định trong thời gian sử dụng lâu dài.
Theo các nhà nghiên cứu, pin có thể chịu được ít nhất 1.000 chu kỳ sạc-xả ở nhiệt độ phòng mà không bị suy giảm đáng kể, một cột mốc quan trọng để có thể sử dụng trong thực tế.
Pin lithium-air này ở nhiệt độ phòng không chỉ đánh dấu một cột mốc khoa học mà còn thể hiện những gì công nghệ pin có thể đạt được. Với mật độ năng lượng dự kiến là 1.200 watt-giờ trên một kilogram, hiện tại nó có tiềm năng cao nhất trong bất kỳ công nghệ pin sạc nào đã biết.
Nếu được thương mại hóa, thiết kế này có thể mở rộng đáng kể phạm vi hoạt động của xe điện, đồng thời giảm đáng kể trọng lượng và kích thước của pin. Nó cũng có thể cho phép lưu trữ hiệu quả và an toàn các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục, như năng lượng mặt trời và gió.
