The Storm Riders
Writer
Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Yoo Jong-seong tại Khoa Kỹ thuật Năng lượng, Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST), đã phát triển một công nghệ mới sử dụng vật liệu carbon xốp bổ sung nitơ để cải thiện đáng kể tốc độ sạc của pin lithium-sulfur (Li-S).
Pin Li-S được coi là pin thế hệ tiếp theo do mật độ năng lượng cao và chi phí thấp của lưu huỳnh. Tuy nhiên, việc thương mại hóa pin Li-S gặp nhiều khó khăn do hiệu suất và dung lượng pin giảm khi sạc nhanh. Một vấn đề khác là sự hình thành lithium polysulfide trong quá trình xả, làm giảm hiệu suất pin.
Mặc dù các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm việc sử dụng cấu trúc carbon xốp để chứa lưu huỳnh trong pin, nhưng hiệu suất vẫn chưa đạt mức thương mại. Nhóm nghiên cứu của DGIST đã tổng hợp một loại carbon đa xốp, có độ graphit hóa cao, chứa nitơ và áp dụng nó vào cực dương của pin Li-S. Kết quả cho thấy pin duy trì dung lượng năng lượng cao ngay cả khi sạc nhanh.
Vật liệu carbon mới này được tổng hợp bằng cách áp dụng phương pháp khử nhiệt bằng magiê cho khung kim loại-hữu cơ ZIF-8. Ở nhiệt độ cao, magiê phản ứng với nitơ trong ZIF-8 tạo ra cấu trúc carbon ổn định và chắc chắn hơn, với nhiều cấu trúc lỗ xốp hơn so với phương pháp thông thường. Cấu trúc này không chỉ chứa được nhiều lưu huỳnh hơn mà còn cải thiện sự tiếp xúc giữa lưu huỳnh và chất điện phân, giúp tăng đáng kể hiệu suất.
Pin Li-S được phát triển trong nghiên cứu này sử dụng vật liệu carbon đa chức năng được tổng hợp bằng phương pháp khử nhiệt magiê làm vật chủ lưu huỳnh. Pin này có thời gian sạc đầy chỉ 12 phút trong điều kiện sạc nhanh, dung lượng cao hơn 1,6 lần so với pin thông thường và duy trì 82% dung lượng sau hơn 1000 chu kỳ sạc-xả.
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm của Tiến sĩ Khalil Amine tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Hoa Kỳ, đã sử dụng kính hiển vi tiên tiến để phân tích và xác nhận rằng lithium sulfide (Li₂S) được hình thành theo một hướng cụ thể giữa các lớp của cấu trúc carbon mới. Điều này chứng minh rằng nitơ được bổ sung và cấu trúc carbon xốp làm tăng lượng lưu huỳnh, trong khi độ graphit hóa của carbon thúc đẩy phản ứng của lưu huỳnh, giúp tăng tốc độ sạc.
Giáo sư Yoo cho biết: "Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện tốc độ sạc của pin Li-S bằng phương pháp tổng hợp đơn giản sử dụng magiê. Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin Li-S". Nghiên cứu này được tài trợ bởi Chương trình Hỗ trợ Nhà nghiên cứu Trung cấp của Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc, với Yoo Jung-hoon và Lee Byeong-jun là tác giả chính. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí học thuật quốc tế ACS Nano.
Pin Li-S được coi là pin thế hệ tiếp theo do mật độ năng lượng cao và chi phí thấp của lưu huỳnh. Tuy nhiên, việc thương mại hóa pin Li-S gặp nhiều khó khăn do hiệu suất và dung lượng pin giảm khi sạc nhanh. Một vấn đề khác là sự hình thành lithium polysulfide trong quá trình xả, làm giảm hiệu suất pin.
Mặc dù các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm việc sử dụng cấu trúc carbon xốp để chứa lưu huỳnh trong pin, nhưng hiệu suất vẫn chưa đạt mức thương mại. Nhóm nghiên cứu của DGIST đã tổng hợp một loại carbon đa xốp, có độ graphit hóa cao, chứa nitơ và áp dụng nó vào cực dương của pin Li-S. Kết quả cho thấy pin duy trì dung lượng năng lượng cao ngay cả khi sạc nhanh.
Vật liệu carbon mới này được tổng hợp bằng cách áp dụng phương pháp khử nhiệt bằng magiê cho khung kim loại-hữu cơ ZIF-8. Ở nhiệt độ cao, magiê phản ứng với nitơ trong ZIF-8 tạo ra cấu trúc carbon ổn định và chắc chắn hơn, với nhiều cấu trúc lỗ xốp hơn so với phương pháp thông thường. Cấu trúc này không chỉ chứa được nhiều lưu huỳnh hơn mà còn cải thiện sự tiếp xúc giữa lưu huỳnh và chất điện phân, giúp tăng đáng kể hiệu suất.
Pin Li-S được phát triển trong nghiên cứu này sử dụng vật liệu carbon đa chức năng được tổng hợp bằng phương pháp khử nhiệt magiê làm vật chủ lưu huỳnh. Pin này có thời gian sạc đầy chỉ 12 phút trong điều kiện sạc nhanh, dung lượng cao hơn 1,6 lần so với pin thông thường và duy trì 82% dung lượng sau hơn 1000 chu kỳ sạc-xả.
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm của Tiến sĩ Khalil Amine tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Hoa Kỳ, đã sử dụng kính hiển vi tiên tiến để phân tích và xác nhận rằng lithium sulfide (Li₂S) được hình thành theo một hướng cụ thể giữa các lớp của cấu trúc carbon mới. Điều này chứng minh rằng nitơ được bổ sung và cấu trúc carbon xốp làm tăng lượng lưu huỳnh, trong khi độ graphit hóa của carbon thúc đẩy phản ứng của lưu huỳnh, giúp tăng tốc độ sạc.
Giáo sư Yoo cho biết: "Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện tốc độ sạc của pin Li-S bằng phương pháp tổng hợp đơn giản sử dụng magiê. Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin Li-S". Nghiên cứu này được tài trợ bởi Chương trình Hỗ trợ Nhà nghiên cứu Trung cấp của Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc, với Yoo Jung-hoon và Lee Byeong-jun là tác giả chính. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí học thuật quốc tế ACS Nano.
