Jinu
Intern Writer
Các bạn có bao giờ nghe nói về vấn đề "silicon nổi" trong pin không? Đây là một "căn bệnh" khá đau đầu với các vật liệu cực âm silicon-carbon, khiến hiệu suất pin bị ảnh hưởng đáng kể. Nhưng đừng lo, có vẻ như một giải pháp đầy hứa hẹn đã xuất hiện! Công ty TNHH Khoa học Vật liệu Mới Geyuan Chiết Giang vừa công bố một bằng sáng chế (CN121269706A) về quy trình chế tạo một loại "lồng carbon" đặc biệt. Nghe có vẻ lạ đúng không? Thực ra, đây là một vật liệu carbon xốp có cấu trúc dị thể, với bề mặt dẫn điện cực tốt và bên trong thì đầy ắp các lỗ siêu nhỏ. Mục tiêu của "lồng carbon dị thể" độc đáo này là giải quyết triệt để vấn đề "silicon nổi" đó, từ đó tạo ra vật liệu cực âm silicon-carbon composite với hiệu suất điện hóa vượt trội.
Để giải quyết "nỗi đau" này của ngành, Geyuan New Materials đã đưa ra một giải pháp hoàn toàn mới trong bằng sáng chế của mình. Quy trình công nghệ của họ được chia thành ba bước rõ ràng, cứ như một nghệ nhân đang tỉ mỉ chế tác một tác phẩm nghệ thuật vậy đó.
Bước đầu tiên là graphit hóa bề mặt. Mình sẽ ngâm tiền chất carbon xốp vào dung dịch chứa chất xúc tác graphit hóa, sau đó tách rắn-lỏng và sấy khô để thu được bột. Những hạt bột này sẽ được xử lý nhiệt trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ cao, khoảng từ 800 đến 1100 độ C. Kết quả là chúng ta có được carbon có cấu trúc dị thể với bề mặt đã được graphit hóa.
Bước thứ hai là hoạt hóa hóa học. Sau khi có carbon dị thể đã graphit hóa bề mặt, mình sẽ dùng chất hoạt hóa kiềm mạnh để xử lý. Qua phản ứng hoạt hóa hóa học, các "kênh" lỗ ban đầu sẽ được "đục" ra trong vật liệu, tạo thành carbon xốp dị thể trung gian.
Bước thứ ba là hoạt hóa vật lý. Carbon xốp trung gian từ bước hai sẽ tiếp tục được xử lý bằng chất hoạt hóa vật lý. Quá trình này dùng khí để "khắc" và mở rộng, tối ưu hóa cấu trúc lỗ đã hình thành. Cuối cùng, chúng ta sẽ có được vật liệu carbon xốp dị thể với bề mặt graphit hóa và bên trong có độ xốp cao.
Điểm sáng tạo của công nghệ này nằm ở việc tạo ra một cấu trúc dị thể cực kỳ độc đáo. Bề mặt của vật liệu carbon là một cấu trúc lớp được graphit hóa cao, còn bên trong lại là một mạng lưới xốp đầy ắp các lỗ siêu nhỏ. Cấu trúc này đã thay đổi hoàn toàn cách silicon bám vào khung carbon. Theo mô tả trong bằng sáng chế, khi silicon được lắng đọng từ pha khí, loại carbon xốp dị thể này có thể "dẫn đường" cho silicon lắng đọng một cách có chọn lọc vào các lỗ rỗng phong phú bên trong, thay vì bám vào bề mặt nhẵn bên ngoài. Các lỗ rỗng bên trong cung cấp không gian rộng rãi để silicon giãn nở thể tích, trong khi lớp graphit hóa bề mặt lại đảm bảo kênh truyền dẫn điện tử hiệu quả. Thiết kế này đã khéo léo giải quyết vấn đề "silicon nổi" thường gặp ở vật liệu silicon-carbon truyền thống – tức là silicon không bám chắc vào khung carbon và dễ bị tách rời trong quá trình sạc/xả.
Vật liệu carbon xốp, với diện tích bề mặt lớn, cấu trúc lỗ rỗng phát triển và độ bền hóa học tốt, luôn được đánh giá cao và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Thông thường, có ba phương pháp chính để chế tạo carbon xốp: phương pháp hoạt hóa, phương pháp khuôn mẫu và phương pháp sol-gel. Trong đó, phương pháp hoạt hóa lại được chia thành hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học. Hoạt hóa vật lý thường diễn ra ở nhiệt độ trên 800 độ C, sử dụng hơi nước hoặc carbon dioxide làm chất hoạt hóa. Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu tác động lên bề mặt vật liệu carbon, nên hiệu quả hoạt hóa tương đối yếu. Ngược lại, hoạt hóa hóa học sử dụng các hóa chất như KOH, KHCO₃ để phản ứng với tiền chất carbon ở nhiệt độ cao, tạo ra các lỗ rỗng hiệu quả hơn nhiều. Bằng sáng chế của Geyuan New Materials đã rất thông minh khi kết hợp ưu điểm của cả hoạt hóa vật lý và hóa học, đồng thời thêm vào bước tiền xử lý graphit hóa bề mặt, từ đó tạo ra một cấu trúc dị thể đầy sáng tạo.
Trong giới học thuật, việc nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu carbon xốp chưa bao giờ ngừng lại. Chẳng hạn, nhóm của Giáo sư Pan Chunxu từ Đại học Vũ Hán từng phát triển một quy trình "một bước" xanh để chế tạo carbon xốp graphit hóa từ sinh khối. Họ dùng kali ferrat (K₂FeO₄) vừa làm chất tạo lỗ vừa làm chất xúc tác, giúp xử lý đồng thời việc tạo lỗ và graphit hóa carbon sinh khối. Vật liệu thu được có cấu trúc xốp chủ yếu là các lỗ siêu nhỏ, với diện tích bề mặt riêng lên đến 1732 mét vuông trên mỗi gram. Hay như nhóm của Nghiên cứu viên Wang Zhenyang từ Viện Vật lý Chất rắn thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, họ lại tiếp cận từ góc độ điều khiển giao diện, đề xuất chiến lược liên kết cộng hóa trị bằng laser. Họ đã xây dựng cấu trúc cầu nối Si-N-C ở cấp độ nguyên tử giữa các hạt nano silicon oxit và khung graphene được tạo ra bằng laser pha tạp nitơ ba chiều, giúp neo giữ hóa học vật liệu silicon trong mạng lưới dẫn điện. Nhìn chung, bằng sáng chế của Geyuan New Materials lại tập trung vào thiết kế cấu trúc của khung carbon, thông qua cấu trúc dị thể để định hướng hành vi lắng đọng của silicon, mang đến một hướng đi mới để giải quyết vấn đề giao diện silicon-carbon.
Mặc dù bằng sáng chế chưa công bố dữ liệu hiệu suất điện hóa cụ thể, nhưng dựa trên nguyên lý kỹ thuật, mình tin rằng loại carbon xốp cấu trúc dị thể này sẽ có nhiều ưu điểm vượt trội. Lớp graphit hóa bề mặt mang lại khả năng dẫn điện tử tuyệt vời, điều này cực kỳ quan trọng cho hiệu suất sạc/xả ở tốc độ cao. Các lỗ rỗng bên trong với độ xốp cao cung cấp không gian đệm cho sự giãn nở thể tích của silicon, đồng thời cũng làm tăng diện tích tiếp xúc giữa điện cực và chất điện phân, giúp ion lithium di chuyển nhanh chóng hơn. Cơ chế lắng đọng có chọn lọc đảm bảo silicon tiếp xúc chặt chẽ với khung carbon, giảm điện trở giao diện và nâng cao độ ổn định cấu trúc của vật liệu. Tất cả những ưu điểm này cuối cùng hứa hẹn sẽ chuyển hóa thành sự cải thiện đáng kể về hiệu suất pin thực tế, như tỷ lệ giữ dung lượng cao hơn, tuổi thọ chu kỳ dài hơn và hiệu suất tốc độ tốt hơn. So với các nghiên cứu khác trong ngành, điểm đặc biệt của công nghệ này là khả năng kiểm soát quy trình và khả năng mở rộng sản xuất, cho thấy tiềm năng rất lớn để từ phòng thí nghiệm bước ra thị trường.
Để giải quyết "nỗi đau" này của ngành, Geyuan New Materials đã đưa ra một giải pháp hoàn toàn mới trong bằng sáng chế của mình. Quy trình công nghệ của họ được chia thành ba bước rõ ràng, cứ như một nghệ nhân đang tỉ mỉ chế tác một tác phẩm nghệ thuật vậy đó.
Bước đầu tiên là graphit hóa bề mặt. Mình sẽ ngâm tiền chất carbon xốp vào dung dịch chứa chất xúc tác graphit hóa, sau đó tách rắn-lỏng và sấy khô để thu được bột. Những hạt bột này sẽ được xử lý nhiệt trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ cao, khoảng từ 800 đến 1100 độ C. Kết quả là chúng ta có được carbon có cấu trúc dị thể với bề mặt đã được graphit hóa.
Bước thứ hai là hoạt hóa hóa học. Sau khi có carbon dị thể đã graphit hóa bề mặt, mình sẽ dùng chất hoạt hóa kiềm mạnh để xử lý. Qua phản ứng hoạt hóa hóa học, các "kênh" lỗ ban đầu sẽ được "đục" ra trong vật liệu, tạo thành carbon xốp dị thể trung gian.
Bước thứ ba là hoạt hóa vật lý. Carbon xốp trung gian từ bước hai sẽ tiếp tục được xử lý bằng chất hoạt hóa vật lý. Quá trình này dùng khí để "khắc" và mở rộng, tối ưu hóa cấu trúc lỗ đã hình thành. Cuối cùng, chúng ta sẽ có được vật liệu carbon xốp dị thể với bề mặt graphit hóa và bên trong có độ xốp cao.
Điểm sáng tạo của công nghệ này nằm ở việc tạo ra một cấu trúc dị thể cực kỳ độc đáo. Bề mặt của vật liệu carbon là một cấu trúc lớp được graphit hóa cao, còn bên trong lại là một mạng lưới xốp đầy ắp các lỗ siêu nhỏ. Cấu trúc này đã thay đổi hoàn toàn cách silicon bám vào khung carbon. Theo mô tả trong bằng sáng chế, khi silicon được lắng đọng từ pha khí, loại carbon xốp dị thể này có thể "dẫn đường" cho silicon lắng đọng một cách có chọn lọc vào các lỗ rỗng phong phú bên trong, thay vì bám vào bề mặt nhẵn bên ngoài. Các lỗ rỗng bên trong cung cấp không gian rộng rãi để silicon giãn nở thể tích, trong khi lớp graphit hóa bề mặt lại đảm bảo kênh truyền dẫn điện tử hiệu quả. Thiết kế này đã khéo léo giải quyết vấn đề "silicon nổi" thường gặp ở vật liệu silicon-carbon truyền thống – tức là silicon không bám chắc vào khung carbon và dễ bị tách rời trong quá trình sạc/xả.
Vật liệu carbon xốp, với diện tích bề mặt lớn, cấu trúc lỗ rỗng phát triển và độ bền hóa học tốt, luôn được đánh giá cao và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Thông thường, có ba phương pháp chính để chế tạo carbon xốp: phương pháp hoạt hóa, phương pháp khuôn mẫu và phương pháp sol-gel. Trong đó, phương pháp hoạt hóa lại được chia thành hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học. Hoạt hóa vật lý thường diễn ra ở nhiệt độ trên 800 độ C, sử dụng hơi nước hoặc carbon dioxide làm chất hoạt hóa. Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu tác động lên bề mặt vật liệu carbon, nên hiệu quả hoạt hóa tương đối yếu. Ngược lại, hoạt hóa hóa học sử dụng các hóa chất như KOH, KHCO₃ để phản ứng với tiền chất carbon ở nhiệt độ cao, tạo ra các lỗ rỗng hiệu quả hơn nhiều. Bằng sáng chế của Geyuan New Materials đã rất thông minh khi kết hợp ưu điểm của cả hoạt hóa vật lý và hóa học, đồng thời thêm vào bước tiền xử lý graphit hóa bề mặt, từ đó tạo ra một cấu trúc dị thể đầy sáng tạo.
Trong giới học thuật, việc nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu carbon xốp chưa bao giờ ngừng lại. Chẳng hạn, nhóm của Giáo sư Pan Chunxu từ Đại học Vũ Hán từng phát triển một quy trình "một bước" xanh để chế tạo carbon xốp graphit hóa từ sinh khối. Họ dùng kali ferrat (K₂FeO₄) vừa làm chất tạo lỗ vừa làm chất xúc tác, giúp xử lý đồng thời việc tạo lỗ và graphit hóa carbon sinh khối. Vật liệu thu được có cấu trúc xốp chủ yếu là các lỗ siêu nhỏ, với diện tích bề mặt riêng lên đến 1732 mét vuông trên mỗi gram. Hay như nhóm của Nghiên cứu viên Wang Zhenyang từ Viện Vật lý Chất rắn thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, họ lại tiếp cận từ góc độ điều khiển giao diện, đề xuất chiến lược liên kết cộng hóa trị bằng laser. Họ đã xây dựng cấu trúc cầu nối Si-N-C ở cấp độ nguyên tử giữa các hạt nano silicon oxit và khung graphene được tạo ra bằng laser pha tạp nitơ ba chiều, giúp neo giữ hóa học vật liệu silicon trong mạng lưới dẫn điện. Nhìn chung, bằng sáng chế của Geyuan New Materials lại tập trung vào thiết kế cấu trúc của khung carbon, thông qua cấu trúc dị thể để định hướng hành vi lắng đọng của silicon, mang đến một hướng đi mới để giải quyết vấn đề giao diện silicon-carbon.
Mặc dù bằng sáng chế chưa công bố dữ liệu hiệu suất điện hóa cụ thể, nhưng dựa trên nguyên lý kỹ thuật, mình tin rằng loại carbon xốp cấu trúc dị thể này sẽ có nhiều ưu điểm vượt trội. Lớp graphit hóa bề mặt mang lại khả năng dẫn điện tử tuyệt vời, điều này cực kỳ quan trọng cho hiệu suất sạc/xả ở tốc độ cao. Các lỗ rỗng bên trong với độ xốp cao cung cấp không gian đệm cho sự giãn nở thể tích của silicon, đồng thời cũng làm tăng diện tích tiếp xúc giữa điện cực và chất điện phân, giúp ion lithium di chuyển nhanh chóng hơn. Cơ chế lắng đọng có chọn lọc đảm bảo silicon tiếp xúc chặt chẽ với khung carbon, giảm điện trở giao diện và nâng cao độ ổn định cấu trúc của vật liệu. Tất cả những ưu điểm này cuối cùng hứa hẹn sẽ chuyển hóa thành sự cải thiện đáng kể về hiệu suất pin thực tế, như tỷ lệ giữ dung lượng cao hơn, tuổi thọ chu kỳ dài hơn và hiệu suất tốc độ tốt hơn. So với các nghiên cứu khác trong ngành, điểm đặc biệt của công nghệ này là khả năng kiểm soát quy trình và khả năng mở rộng sản xuất, cho thấy tiềm năng rất lớn để từ phòng thí nghiệm bước ra thị trường.
