Tiếng Việt
Một nhóm các nhà khoa học tại Hóa học UNSW đã phát triển một loại vật liệu hữu cơ có khả năng lưu trữ proton, vật liệu này đang được sử dụng để tạo ra pin proton có thể sạc lại trong phòng thí nghiệm.
Bằng cách sử dụng các ion hydro (proton) thay vì lithium truyền thống, pin hứa hẹn sẽ giải quyết một số thách thức quan trọng trong việc lưu trữ năng lượng hiện đại, bao gồm khan hiếm tài nguyên, tác động môi trường, an toàn và chi phí. Những phát hiện mới nhất của nhóm, được công bố trên tạp chí Angewandte Chemielàm nổi bật khả năng lưu trữ năng lượng nhanh chóng, bền bỉ hơn và hoạt động tốt trong điều kiện dưới 0 của pin.
Vật liệu – tetraamino-benzoquinone – được phát triển bởi nghiên cứu sinh Tiến sĩ Si Cheng Wu và Giáo sư Chuan Zhao, phối hợp với UNSW Engineering và ANSTO, và đã được chứng minh là hỗ trợ chuyển động proton nhanh chóng bằng cách sử dụng mạng lưới liên kết hydro.
Zhao cho biết: “Chúng tôi đã phát triển một loại vật liệu phân tử nhỏ, công suất cao, mới để lưu trữ proton. “Sử dụng vật liệu này, chúng tôi đã chế tạo thành công pin proton hoàn toàn hữu cơ, hoạt động hiệu quả ở cả nhiệt độ phòng và nhiệt độ đóng băng dưới 0”.
Quay lại vấn đề cơ bản về pin
Pin lưu trữ năng lượng hóa học và chuyển đổi nó thành năng lượng điện thông qua phản ứng giữa hai điện cực – cực dương và cực âm. Các hạt mang điện, được gọi là ion, được truyền qua thành phần giữa của pin, được gọi là chất điện phân.
Loại pin phổ biến nhất được sử dụng trong các sản phẩm gia dụng là pin lithium-ion. Những loại pin này tạo ra điện tích bằng cách chuyển các ion lithium giữa cực dương và cực âm, là giải pháp lưu trữ năng lượng di động phổ biến nhất.
Pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho các sản phẩm hàng ngày như điện thoại di động, máy tính xách tay và thiết bị đeo thông minh, cũng như các sản phẩm di động điện tử mới hơn như ô tô điện, xe đạp điện và xe tay ga điện tử. Tuy nhiên, chúng rất khó tái chế và cần lượng nước và năng lượng rất lớn để sản xuất.
Wu cho biết: “Pin lithium-ion đã trở thành sản phẩm chiếm ưu thế trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng, nhưng chúng có rất nhiều hạn chế.
“Lithium là nguồn tài nguyên hữu hạn và không được phân bố đồng đều trên Trái đất, vì vậy một số quốc gia có thể không tiếp cận được nguồn lithium chi phí thấp. Pin lithium cũng có [a] thách thức rất lớn liên quan đến các ứng dụng sạc nhanh, độ an toàn và… hiệu suất thấp ở nhiệt độ lạnh.”
Các lựa chọn thay thế cho pin lithium-ion
Mặc dù hiện tại chúng ta phụ thuộc rất nhiều vào pin lithium-ion nhưng ngày càng có nhiều lựa chọn thay thế đang xuất hiện. Đặc biệt, pin proton đang được chú ý như một giải pháp thay thế bền vững trong lĩnh vực năng lượng cho các thiết bị lưu trữ năng lượng.
Proton có bán kính ion và khối lượng nhỏ nhất trong tất cả các nguyên tố, cho phép chúng khuếch tán nhanh chóng. Việc sử dụng proton sẽ tạo ra pin có mật độ năng lượng và năng lượng cao, đồng thời proton tương đối rẻ tiền, không tạo ra lượng khí thải carbon và sạc nhanh.
Wu nói: “Có rất nhiều lợi ích đối với pin proton. “Nhưng các vật liệu điện cực hiện tại được sử dụng cho pin proton, một số được làm từ vật liệu hữu cơ và một số khác từ kim loại, rất nặng và vẫn có giá thành rất cao”.
Mặc dù đã tồn tại một số vật liệu điện cực hữu cơ nhưng chúng cũng có dải điện áp hạn chế và cần phải nghiên cứu thêm để biến chúng thành pin hoạt động được.
Tạo vật liệu cực dương
Thế oxy hóa khử là một thông số cơ bản trong điện hóa học. Nó liên quan đến dòng điện, điều này rất quan trọng trong việc thiết kế pin. Phạm vi thế oxy hóa khử trong pin rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Thông thường, thế oxy hóa khử của vật liệu catốt cần nằm ở phạm vi cao và tiềm năng oxy hóa khử của vật liệu cực dương cần nằm ở phạm vi thấp để đảm bảo đầu ra điện áp mong muốn của pin.
Để tạo ra vật liệu điện cực, nhóm nghiên cứu bắt đầu với một phân tử nhỏ gọi là tetrachloro-benzoquinone (TCBQ), bao gồm bốn nhóm clo. Mặc dù TCBQ trước đây đã được sử dụng để thiết kế vật liệu điện cực, nhưng phạm vi thế oxy hóa khử của hợp chất này là tầm thường – không đủ thấp để sử dụng làm cực dương cũng như không đủ cao để sử dụng làm cực âm.
Vì vậy, để bắt đầu, nhóm đã tiến hành sửa đổi TCBQ để tăng hiệu suất làm vật liệu cực dương.
Sau nhiều lần sửa đổi hợp chất, các nhà nghiên cứu quyết định thay thế bốn nhóm chloro bằng bốn nhóm amino, biến nó thành phân tử tetraamino-benzaquinone (TABQ). Bằng cách bổ sung các nhóm amino, các nhà nghiên cứu đã cải thiện đáng kể khả năng lưu trữ proton của vật liệu và giảm phạm vi thế oxy hóa khử của nó.
Zhao nói: “Nếu bạn chỉ nhìn vào vật liệu TABQ mà chúng tôi đã thiết kế, thì việc sản xuất nó không nhất thiết phải rẻ vào thời điểm hiện tại. “Nhưng vì nó được làm từ nhiều nguyên tố ánh sáng nên việc mở rộng quy mô sẽ dễ dàng và có giá cả phải chăng.”
Đưa nguyên mẫu vào thử nghiệm
Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm pin proton, kết quả rất hứa hẹn.
Kết hợp với cực âm TCBQ, pin hoàn toàn hữu cơ mang lại tuổi thọ dài (3500 chu kỳ sạc đầy và sau đó xả hết pin), dung lượng cao và hiệu suất tốt trong điều kiện lạnh.
Zhao cho biết: “Chất điện phân trong pin lithium-ion được làm từ muối lithium, một dung môi dễ cháy và do đó là mối lo ngại lớn”. “Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi có cả hai điện cực được làm từ các phân tử hữu cơ và ở giữa chúng tôi có dung dịch nước, làm cho pin nguyên mẫu của chúng tôi nhẹ, an toàn và giá cả phải chăng.”
Với chi phí thấp, độ an toàn cao và hiệu suất sạc nhanh của pin proton được thiết kế thông qua sự hợp tác này, nó có tiềm năng được sử dụng trong nhiều tình huống khác nhau, bao gồm cả việc lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện. Như Wu đã lưu ý, “Hiện tại, chúng tôi không có bất kỳ giải pháp phù hợp nào để lưu trữ năng lượng trên quy mô lưới điện, vì chúng tôi không thể sử dụng hàng tấn pin lithium để thực hiện công việc đó do giá cả và sự thiếu an toàn.
“Để tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo, chúng tôi phải phát triển một số công nghệ tích hợp năng lượng hiệu quả hơn và thiết kế pin proton của chúng tôi là một thử nghiệm đầy hứa hẹn.”
Trong khi các ứng dụng tiềm năng còn rất lớn, các nhà nghiên cứu vẫn quyết tâm cải tiến và hoàn thiện pin proton của họ.
“Chúng tôi đã thiết kế một loại vật liệu làm cực dương rất tốt và công việc trong tương lai sẽ chuyển sang phía cực âm. Chúng tôi sẽ tiếp tục thiết kế các vật liệu hữu cơ mới có phạm vi tiềm năng oxy hóa khử cao hơn để tăng điện áp đầu ra của pin”, Wu nói.
Website: https://yeastera.com
Fanpage: https://www.facebook.com/yeastera/