Catốt cho pin dung lượng cao từ ADN da cá hồi

Catốt mới có cấu trúc ổn định

Trong pin thứ cấp lithium-ion (pin sạc nhiều lần), lượng ion lithium di chuyển qua lại giữa cực âm và cực dương trong quá trình sạc và xả xác định mật độ năng lượng của hệ thống pin điện. Điều đó có nghĩa là, sự phát triển của vật liệu catốt dung lượng cao có ý nghĩa quan trọng trong việc tăng công suất của pin.

Các oxit phân lớp quá mức có công suất đảo ngược (công suất có sẵn sau khi sạc)  cao đến 250 mAh /g (so với công suất đảo ngược của những vật liệu thương mại đang có sẵn là 160 mAh /g), từ lâu được các nhà khoa học xác định là vật liệu cho catốt thế hệ tiếp theo, có thể nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng của pin đến hơn 50%.

So với các vật liệu catốt pin lithium-ion truyền thống, catốt oxit phân lớp quá mức (OLO) có chứa các ion lithium bổ sung. Do sự quá mức này, OLO được coi là một ứng cử viên đầy triển vọng làm vật liệu catốt trong pin lithium ion năng lượng cao. 

Nhưng để sử dụng các ion lithium bổ sung, OLO phải được sạc ngoài 4,4 V so với ca tốt Li / Li + , nghĩa là các ca tốt OLO có điều kiện oxy hóa cao. Do đó, các phản ứng phụ oxy hóa trên bề mặt của OLO, cản trở hoạt động của các pin lithium ion này.

Các oxit phân lớp quá mức có nhược điểm rất lớn, trong quá trình sạc / xả, cấu trúc lớp của oxit phân lớp quá mức bị phá vỡ, bề mặt catốt bị sưng phồng, pin hỏng hoàn toàn không sử dụng được. Những nghiên cứu trước đây cho thấy, cần phát triển một giao diện điện phân rắn đồng nhất nhân tạo (a-SEI) trong đó có một lớp phủ hữu cơ trên bề mặt của OLO.

Nhóm các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) trong nghiên cứu của mình đã phân tích những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của bề mặt bằng kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua, cung cấp hình thái, cấu trúc tinh thể và thông tin nguyên tố của các vật liệu khác nhau đến cấp độ nguyên tử, sử dụng sự nhiễu xạ electron.

Chia những vật liệu của pin thành các khu vực cụ thể, từ bề mặt đến bên trong, nhóm nghiên cứu phát hiện, các lớp kim loại của những lớp oxit phân lớp quá mức bị gãy, vỡ trên bề mặt do chu kỳ sạc / xả lặp đi lặp lại nhiều lần..

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu sử dụng ADN da cá hồi, có ái lực mạnh với các ion lithium, tích hợp vào các ống nano carbon để kiểm soát cấu trúc bề mặt oxit lớp phủ quá mức, hình thành một loại catốt mới, có cấu trúc vật chất ổn định.

Các oxit phân lớp vượt mức (OLO) được phủ lớp vật chất hữu cơ ADN da cá hồi. Ảnh Advanced Science News

Vật liệu bền vững cho pin hiệu suất cao

Nhóm nghiên cứu sử dụng những kỹ thuật phân tích tiên tiến tích hợp, nghiên cứu hàng loạt các yếu tố khác, từ các hạt riêng lẻ đến điện cực. Những phân tích so sánh cho thấy các đặc tính điện hóa của catốt mới và cơ chế ổn định cấu trúc của catốt được nâng cao rõ rệt.

GS Sang-Young Lee từ Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan Hàn Quốc (UNIST) cho biết, nghiên cứu khoa học này có ý nghĩa quan trọng của sự phát triển pin công suất lớn, không giống như những sáng tạo trước đây, nghiên cứu này sử dụng ADN, thành phần cơ bản của sự sống, mở ra một hướng đi mới cho sự phát triển vật liệu bền vững cho pin hiệu suất cao.

Kyung Yoon Chung, người đứng đầu Trung tâm nghiên cứu Lưu trữ năng lượng của KIST cho biết, nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng do đã đưa ra được những yếu tố thiết kế vật liệu catốt công suất cao ổn định bằng giải pháp sử dụng tích hợp các kỹ thuật phân tích tiên tiến.

"Từ kết quả của nghiên cứu này, chúng tôi nỗ lực mở rộng tìm kiếm để phát triển vật liệu mới có thể thay thế các vật liệu thương mại hiện có" ông nói.

Thái Bằng (theo Advanced Science News)