Xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào lithium và các kim loại đắt tiền khác. Trong khi đó, việc sử dụng magie, kim loại dồi dào và rẻ hơn so với lithium hoặc bạch kim, có thể giúp giảm rủi ro chuỗi cung ứng.
Pin magie-không khí từ lâu được xem là đầy hứa hẹn nhưng khó thương mại hóa do các thách thức về độ bền. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tsukuba cho biết, pin magie-không khí được chế tạo với cực âm dựa trên graphene, có thể cung cấp giải pháp thay thế rẻ hơn và an toàn hơn.
Các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản phát triển loại pin magie-không khí thể rắn hoàn toàn, có khả năng chống lại sự phân hủy hóa học, bấy lâu nay là hạn chế của công nghệ này. Thiết kế này thay thế cực âm làm từ bạch kim bằng graphene xốp pha tạp nitơ và sử dụng chất điện phân polymer rắn có chứa magie clorua.
Pin magie-không khí sử dụng oxy từ không khí làm vật liệu hoạt tính ở cực âm. Về lý thuyết, chúng có thể cung cấp mật độ năng lượng tương đương pin lithium-không khí. Tuy nhiên, trên thực tế, các ion clorua trong chất điện phân gây ra clo hóa bên trong, làm hỏng các thành phần và làm giảm hiệu suất pin qua nhiều chu kỳ sạc-xả.
Các nhà nghiên cứu tập trung vào việc giải quyết ổn định vấn đề này ở cực âm. Bằng cách đưa graphene xốp pha tạp nitơ vào, họ tạo ra cấu trúc có khả năng chống lại sự xâm lấn của clorua trong khi vẫn duy trì hoạt tính xúc tác cao.
Nhóm nghiên cứu kết hợp cực âm graphene với kim loại magie có sẵn trên thị trường làm cực dương và gel polymer gốc magie clorua làm chất điện phân rắn. Việc chuyển từ chất điện phân lỏng sang chất điện phân rắn đã cải thiện đáng kể độ an toàn và độ bền cơ học của pin.
Các thử nghiệm hiệu suất cho thấy hệ thống mới hoạt động tốt hơn các loại pin tương tự sử dụng cực âm làm từ bạch kim. Những cải tiến này liên quan đến khả năng chống lại sự phân hủy do clorua gây ra của graphene và đặc tính xúc tác mạnh mẽ của nó trong các phản ứng với oxy.
Cấu hình trạng thái rắn cũng loại bỏ các rủi ro rò rỉ liên quan đến chất điện phân lỏng. Điều đó mở ra khả năng thiết kế pin bền bỉ hơn cho việc sử dụng trong thực tế. Trong các thử nghiệm cơ học, pin vẫn duy trì hiệu suất ban đầu ngay cả khi bị uốn cong đến 120 độ.
Các nhà nghiên cứu không quan sát thấy hiện tượng rò rỉ chất điện phân khi pin biến dạng, cho thấy ưu điểm của chất điện phân rắn dạng gel so với chất điện phân dạng lỏng. Khả năng hoạt động dưới ứng suất uốn cong cho thấy tiềm năng ứng dụng của pin trong thiết bị điện tử linh hoạt và thiết bị đeo được.
Bằng cách giải quyết sự suy thoái ở cực âm do clorua gây ra và ổn định chất điện phân, các nhà nghiên cứu chứng minh giải pháp thực tiễn hướng tới pin magie-không khí sạc lại được, có dung lượng cao.
Nếu được mở rộng quy mô thành công, phương pháp này có thể hỗ trợ các công nghệ cần chi phí thấp hơn, đồng thời cải thiện độ an toàn so với các pin dựa trên lithium thông thường. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.
