Công nghệ & sản phẩm mới, Khoa học và đời sống, Tin tức
Thiết kế điện cực anode carbon như thế nào để cải thiện hiệu suất của pin Natri-ion tốt nhất?
Pin natri-ion có thể là sự thay thế bền vững hơn cho các công nghệ pin hiện tại không?
Ngày nay, sự hiện diện của pin đã quen thuộc đến mức khiến việc hình dung cuộc sống hiện đại mà thiếu chúng trở nên khó khăn hơn bao giờ hết. Trên toàn thế giới, giá trị thị trường của pin sạc đã tăng nhanh chóng trong những thập kỷ qua nhờ nhận thức toàn cầu về bảo vệ môi trường, thị trường xe điện cũng đang ngày càng được mở rộng và nhận được sự hỗ trợ của các chính phủ trên khắp thế giới [1]. Đặc biệt, pin lithium-ion có mức tăng trưởng cao nhất [2] và trở thành loại pin sạc được sử dụng phổ biến nhất nhờ lợi thế về chi phí và hiệu suất vượt trội (mật độ năng lượng và công suất cao nhất, mà lại nhỏ và nhẹ hơn so với các loại pin sạc khác cùng với số chu kỳ nạp và xả cao hơn trong suốt vòng đời của pin) [1]. Tuy nhiên, sản lượng lithium có thể không đáp ứng được nhu cầu từ các nhà sản xuất pin, ước tính sẽ phải tăng hơn gấp đôi trong thập kỷ tới khi việc sử dụng xe điện toàn cầu tiếp tục tăng. Điều này được thấy rõ ngay khi giá nguyên liệu thô tăng vọt, đặc biệt là lithium carbonate, trong vài năm qua[3].
Do đó, chúng ta bắt buộc phải thúc đẩy sự hiểu biết và phát triển các loại pin hóa học thay thế để chống lại sự phụ thuộc toàn cầu vào một loại công nghệ và sự cạn kiệt của các vật liệu quan trọng. Trong đó, pin Natri-ion (NIB) đang được coi là giải pháp thay thế lưu trữ năng lượng quy mô lớn hứa hẹn nhất do sự phong phú tự nhiên và nguyên liệu thô phổ biến được phân phối rộng rãi, giá rẻ và tính bền vững của vật liệu vượt trội so với các công nghệ dựa trên lithium[4].
Nguyên lý hoạt động và thiết kế tế bào pin NIB tương tự như cơ chế hoạt động của pin lithium-ion với điểm khác biệt cơ bản là hạt mang điện là các ion natri (Na+). Như được mô tả trong Hình 1, cơ chế “rocking chair mechanism” được sử dụng để mô tả cách lưu trữ năng lượng bằng cách chuyển hóa lẫn nhau giữa năng lượng hóa học và điện. Trong quá trình sạc, năng lượng điện được sử dụng để thúc đẩy sự chuyển động của các electron từ cathode sang anode. Đồng thời, tính trung hòa về điện tích được duy trì bằng cách giải phóng các ion natri khỏi cathode và di chuyển chúng đến anode thông qua chất điện phân. Quá trình ngược lại xảy ra trong quá trình xả.
Tuy nhiên, từ góc độ thiết kế, Na có bán kính ion lớn hơn nhiều (1,02Å) so với Li (0,76Å) khiến việc tìm vật liệu điện cực anode thích hợp để lưu trữ các ion Na+ cho phép xâm nhập và thoát ra nhanh chóng đồng thời vẫn còn là một thách thức lớn. Than chì (graphite) vốn được biết đến là vật liệu điện cực anode được sử dụng nhiều nhất trong pin lithium-ion, nhưng lại không hỗ trợ lưu giữ xen kẽ natri, nên một lượng đáng kể nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các điện cực phù hợp khác. Nhưng do nguồn nguyên liệu dồi dào và chi phí thấp, vật liệu điện cực anode dựa trên carbon vẫn là hứa hẹn nhất cho pin NIB [5]. Để có được mật độ dung lượng dự trữ cao (high reversible capacity), hầu hết các thiết kế hiện nay đều tập trung vào việc tạo ra vật liệu điện cực anode với lượng đáng kể các lỗ rỗng nhỏ (micropore) mà chỉ các ion Na+ có thể xâm nhập được. Như sieving carbon (có các lỗ rỗng cỡ nano có khả năng điều chỉnh cao với lối vào lỗ hẹp hơn) [6], hard carbon* là một dạng rắn có nguồn gốc từ sinh khối [7] hoặc hard carbon* với mạng lưới lỗ rỗng có thể điều chỉnh được [8] chỉ là một vài ví dụ về điện cực anode carbon năng lượng cao đang được đề xuất trong thời gian gần đây.
Tóm lại, điều cần thiết là nghiên cứu mạng lưới lỗ rỗng để hiểu và tối đa hóa việc lưu trữ ion natri. Đối với vấn đề này, tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) là một kỹ thuật thăm dò tốt nhất có thể được sử dụng để xác định kích thước lỗ rỗng và sự phân bố kích thước lỗ rỗng của cả lỗ kín và lỗ hở, là những thông tin không thể có bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác như phân tích hấp phụ khí (gas absorption) thông thường. Mặt khác, việc lấp đầy các lỗ rỗng có thể được theo dõi thông qua các phép đo SAXS.
Sieving carbons
Trước đây người ta đã chứng minh rằng carbon có nhiều lỗ rỗng (porous carbons-PC) là vật liệu điện cực anode không phù hợp cho pin ion natri vì các lỗ có diện tích bề mặt lớn của chúng cũng có thể tiếp cận được với chất điện phân, từ đó tạo ra sự hình thành xen kẽ chất điện phân rắn (SEI) không mong muốn bên trong các lỗ rỗng cỡ nano [9 ]. Để giải quyết vấn đề này, sieving carbons (SC) với lối vào lỗ rỗng hẹp hơn (<0,4 nm) đã được chứng minh là cho thấy hiệu suất điện hóa vượt trội [6]. Các phép đo SAXS đã tiết lộ rằng có thể ngăn chặn việc SEI lấp đầy lỗ rỗng bằng cách lắng đọng khí metan trên PC thương mại giúp lối vào lỗ rỗng hẹp hơn đồng thời duy trì diện tích bề mặt lỗ rỗng và đường kính lỗ như cũ. Như được hiển thị trong Hình 2, tín hiệu SAXS của lỗ rỗng cỡ nano (nanopores) của SC là không thay đổi trong quá trình nạp trong khi tín hiệu của PC cho thấy sự biến mất của một peak rộng trong phạm vi q trung bình cho thấy việc lấp lỗ rỗng bị lấp đầy bằng SEI.
Hard carbon với mạng lưới hai loại kích thước lỗ rỗng khác nhau có thể điều chỉnh được
Điều chỉnh kết cấu của carbon là một cách khác đã được đề xuất để tối đa hóa hiệu suất của chúng như là anode cho NIB [8]. Hard carbon với mạng lưới hai loại kích thước lỗ rống khác nhau bao gồm các micropore bên trong được liên kết với nhau thông qua các mesopore đã được tạo thành bằng phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi (solvothermally). Mạng mesoporous thứ hai nhằm mục đích tăng cường khả năng kết nối giữa các micropore, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán Na+ và làm tăng dung lượng của pin.
Hard carbon có nguồn gốc từ sinh khối
Gần đây, hard carbon có nguồn gốc từ sinh khối đã nhận được sự quan tâm đáng kể vì chúng sẽ làm tăng tính bền vững của vật liệu pin. Bên cạnh việc tiết kiệm chi phí, phong phú và dễ tiếp cận, các vật liệu này thường được thấy ở các kiến trúc vĩ mô-vi mô và các phương pháp sản xuất có thể mở rộng. Ví dụ, gỗ hồng (rosewood), một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp đồ nội thất, là một vật liệu xốp tự nhiên cho thấy tiềm năng lớn làm vật liệu điện cực anode cho pin natri-ion [7].
Xét về hiệu suất điện hóa, được thấy rõ ràng từ Hình 4 (b) rằng các vật liệu được xử lý hóa học thể hiện mật độ dung lượng dự trữ được cải thiện đáng kể.
Kết luận
Nguồn: Xenocs
Nguyễn Tiến Dũng dịch
Nghiên cứu ban đầu được xuất bản trong các bài báo sau:
[6] Li, Qi, Xiangsi Liu, Ying Tao, Jianxing Huang, Jun Zhang, Chunpeng Yang, Yibo Zhang et al. “Sieving carbons promise practical anodes with extensible low-potential plateaus for sodium batteries.” National Science Review (2022).
[7] Zhou, Siyu, Zheng Tang, Zhiyi Pan, Yuancheng Huang, Le Zhao, Xi Zhang, Dan Sun, Yougen Tang, Abdelghaffar S. Dhmees, and Haiyan Wang. “Regulating closed pore structure enables significantly improved sodium storage for hard carbon pyrolyzing at relatively low temperature.” SusMat (2022).
[8] Alptekin, Hande, Heather Au, Emilia Olsson, Jonathon Cottom, Anders CS Jensen, Thomas F. Headen, Qiong Cai, Alan J. Drew, Maria Crespo Ribadeneyra, and Maria‐Magdalena Titirici. “Elucidation of the Solid Electrolyte Interphase Formation Mechanism in Micro‐Mesoporous Hard‐Carbon Anodes.” Advanced materials interfaces 9, no. 8 (2022): 2101267.
[1] Rachid Amui, Janvier Nkurunziza, COMMODITIES AT A GLANCE Special issue on strategic battery raw materials. United Nations Conference on Trade and Development, 2020.
[2] Pillot Christophe, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2018-2030. AVICENNE ENERGY, 2019.
[3] Fitri Wulandari, Lithium price forecast: Will the price keep its bull run?, Capital, July 9, 2022, https://capital.com/lithium-price-forecast.
[4] Alptekin, Hande, Heather Au, Emilia Olsson, Jonathon Cottom, Anders CS Jensen, Thomas F. Headen, Qiong Cai, Alan J. Drew, Maria Crespo Ribadeneyra, and Maria‐Magdalena Titirici. “Elucidation of the Solid Electrolyte Interphase Formation Mechanism in Micro‐Mesoporous Hard‐Carbon Anodes.” Advanced materials interfaces 9, no. 8 (2022): 2101267.
[5] Palaniyandy, Nithyadharseni, and Mesfin A. Kebede. “Sodium-ion battery anode materials and its future prospects and challenges.” Electrochemical Devices for Energy Storage Applications (2019): 41-58.
[6] Li, Qi, Xiangsi Liu, Ying Tao, Jianxing Huang, Jun Zhang, Chunpeng Yang, Yibo Zhang et al. “Sieving carbons promise practical anodes with extensible low-potential plateaus for sodium batteries.” National Science Review (2022).
[7] Zhou, Siyu, Zheng Tang, Zhiyi Pan, Yuancheng Huang, Le Zhao, Xi Zhang, Dan Sun, Yougen Tang, Abdelghaffar S. Dhmees, and Haiyan Wang. “Regulating closed pore structure enables significantly improved sodium storage for hard carbon pyrolyzing at relatively low temperature.” SusMat (2022).
[8] Alptekin, Hande, Heather Au, Emilia Olsson, Jonathon Cottom, Anders CS Jensen, Thomas F. Headen, Qiong Cai, Alan J. Drew, Maria Crespo Ribadeneyra, and Maria‐Magdalena Titirici. “Elucidation of the Solid Electrolyte Interphase Formation Mechanism in Micro‐Mesoporous Hard‐Carbon Anodes.” Advanced materials interfaces 9, no. 8 (2022): 2101267.
[9] Li, Kaikai, Jun Zhang, Dongmei Lin, Da-Wei Wang, Baohua Li, Wei Lv, Sheng Sun et al. “Evolution of the electrochemical interface in sodium ion batteries with ether electrolytes.” Nature communications 10, no. 1 (2019): 1-10.
