Các nhà nghiên cứu tại Đại học Saarland của Đức và Đại học Salzburg của Áo đã hợp tác để phát triển một giải pháp mới về pin, thân thiện hơn với môi trường, thay vì sử dụng pin lithium-ion truyền thống thường dựa vào các vật liệu như niken và coban.
Mặc dù niken và coban rất quan trọng đối với hiệu suất của pin lithium-ion, đặc biệt là đối với xe điện (EV), nhưng hai kim loại thiết yếu này lại đi kèm với một số nhược điểm đáng kể, như vấn đề độc hại, chi phí cao và nguy cơ cháy nổ nghiêm trọng.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Chemistry of Materials. Nhóm nghiên cứu đã tích hợp oxit sắt phân tán mịn vào các quả cầu carbon rỗng, xốp, cực nhỏ, được phát triển bởi Tiến sĩ Michael Elsaesser tại Đại học Salzburg. Kết quả là dung lượng lưu trữ cao hơn, trong khi chỉ sử dụng vật liệu dễ tìm, ít gây hại cho môi trường.
Để phát triển các quả cầu carbon, Michael Elsaesser và nhóm nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ Mozartkugeln, loại bánh kẹo nổi tiếng ở vùng Salzburg của Áo, được làm từ hạt dẻ cười, hạnh nhân nghiền và kẹo nougat phủ sô cô la đen.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Saarland sau đó áp dụng ý tưởng sáng tạo này vào nghiên cứu pin lithium-ion, tích hợp sắt phân tán mịn vào cấu trúc. Các quả cầu carbon cực nhỏ này được cho là có kích thước chỉ nanomet. Mỗi đơn vị có đường kính khoảng 250 nanomet, có diện tích bề mặt lớn, cũng như dung lượng điện hóa cao.
Thách thức với nhóm nghiên cứu là sử dụng phương pháp tổng hợp hóa học để lấp đầy khoảng trống bên trong các quả cầu này bằng các oxit kim loại phù hợp, Tiến sĩ Stefanie Arnold, nhà khoa học vật liệu tại Đại học Saarland, cho biết.
Sau một loạt thí nghiệm ban đầu với titan dioxide, có khả năng lưu trữ và giải phóng ion lithium tương đối thấp, nhóm nghiên cứu chuyển sự chú ý sang oxit sắt, mà hầu hết chúng ta thường gọi là gỉ sét. Sắt có ưu điểm là dồi dào và về lý thuyết, nó có khả năng lưu trữ cao, cũng như dễ tái chế, Stefanie Arnold giải thích.
Sử dụng phương pháp tổng hợp có thể mở rộng, dựa trên lactate sắt, nhóm nghiên cứu đã có thể tích hợp các hạt nano sắt kim loại vào khung carbon của các quả cầu rỗng. Thí nghiệm đã tạo ra mạng lưới xốp, bền vững, với các hạt nano sắt phân bố đều.
Điều đặc biệt thú vị là dung lượng lưu trữ (tức lượng điện tích có thể lưu trữ và giải phóng thuận nghịch trên mỗi gram vật liệu điện cực hoạt tính) tiếp tục tăng trong suốt quá trình sử dụng pin. Pin sử dụng càng lâu thì hiệu suất càng tốt. Điều này do sắt nguyên tố trong các hạt nano trước tiên phải phản ứng với oxy để tạo thành oxit sắt.
Quá trình kích hoạt điện hóa sắt được nhúng trong ma trận hình cầu carbon này không diễn ra ngay lập tức mà diễn ra dần dần. Phải mất khoảng 300 chu kỳ sạc-xả cho đến khi các khoang trong các quả cầu carbon được lấp đầy bằng oxit sắt và đạt được dung lượng lưu trữ tối đa, Arnold cho biết.
Tuy nhiên, cơ chế này vẫn cần nghiên cứu thêm trước khi có thể mở rộng quy mô. Quá trình kích hoạt cần phải đẩy nhanh hơn để pin có thể đạt dung lượng tối đa sớm hơn. Ngoài ra, các hạt cầu carbon chứa oxit sắt hiện chỉ đang sử dụng làm cực dương của pin, có nghĩa là vẫn cần phải phát triển thêm cực âm phù hợp để tạo thành một pin hoàn chỉnh.
Nhóm nghiên cứu tin rằng, phương pháp tiếp cận của mình sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển hệ thống lưu trữ đệm thân thiện với môi trường dành cho năng lượng tái tạo, Tiến sĩ Volker Presser, Giáo sư vật liệu năng lượng tại Đại học Saarland, cho biết.
Vật liệu mới này cũng sẽ được thử nghiệm cho pin natri-ion, loại pin mà các nhà sản xuất ô tô Trung Quốc hiện đang sử dụng. Phương pháp tổng hợp tương tự cũng có thể điều chỉnh để tích hợp các vật liệu chức năng khác, mở ra nền tảng rộng hơn cho việc lưu trữ năng lượng tiên tiến.
