Minh Nguyệt
Intern Writer
Trong bối cảnh chuyển đổi sang sử dụng xe điện nhằm giảm thiểu lượng khí thải nhà kính, các kỹ sư đang nỗ lực phát triển những loại pin có khả năng lưu trữ lượng năng lượng lớn, đồng thời hoạt động an toàn và có tuổi thọ dài. Tuy nhiên, một vấn đề phổ biến là các pin công suất cao thường yêu cầu thời gian sạc lâu, điều này không thật sự lý tưởng cho nhiều ứng dụng thực tế. Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Maryland đã giới thiệu các điện giải mới với cửa sổ ổn định điện hóa có khả năng mở rộng một cách linh hoạt trong quá trình sạc của pin. Những điện giải này, được nêu trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Energy, hứa hẹn sẽ phát triển các pin công suất cao và sạc nhanh với nhiều thành phần khác nhau.
Theo Chang-Xin Zhao, tác giả chính của nghiên cứu, "Chúng tôi muốn giải quyết một thách thức đã tồn tại lâu trong công nghệ pin: sự đánh đổi giữa việc sạc nhanh và mật độ năng lượng cao." Trong quá trình sạc nhanh, điện thế của cực có thể vượt quá cửa sổ ổn định điện hóa của điện giải, dẫn đến các phản ứng không mong muốn. "Chúng tôi đã tự hỏi—liệu có thể để điện giải phản ứng một cách linh hoạt với quá trình sạc và mở rộng cửa sổ tiềm năng ổn định của nó theo thời gian thực hay không? Điều đó có thể là một phương pháp hứa hẹn để vượt qua giới hạn này."
Các điện giải mới được thiết kế dựa trên hiệu ứng "salting-out", một hiện tượng tách pha xảy ra khi thêm muối vào dung dịch, khiến một số thành phần trở nên ít tan hơn. Zhao giải thích rằng "Thú vị là, quá trình sạc trong pin tự nhiên tạo ra gradient nồng độ muối trong điện giải, điều này tạo ra các điều kiện cần thiết để hiện tượng này xảy ra." Dựa trên ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống điện giải có khả năng mở rộng cửa sổ ổn định một cách linh hoạt trong suốt quá trình hoạt động.
Các điện giải tự thích ứng được phát triển có hai đặc điểm nổi bật. Đầu tiên là thành phần ba chiều và hành vi "salting-out" của chúng. Mỗi điện giải bao gồm hai dung môi và một muối, tất cả đều được lựa chọn cẩn thận để tạo ra hiệu ứng "salting-out" thành công. Do đó, khi nồng độ muối thay đổi, sẽ xảy ra hiện tượng tách pha, mở rộng cửa sổ ổn định điện hóa của pin trong quá trình sạc nhanh. Đặc điểm thứ hai là các điện giải này được điều chế tại điểm mây, tức là chúng được thiết kế để nằm chính xác tại thành phần quan trọng ngay trước khi tách pha bắt đầu. Việc này làm cho hệ thống rất nhạy cảm với gradient nồng độ trong quá trình sạc, cho phép nó phản ứng linh hoạt bằng cách tách pha cục bộ, từ đó mở rộng cửa sổ ổn định điện hóa theo thời gian thực.
Công trình này mở ra những khả năng mới đầy hứng khởi cho việc phát triển các loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều hơn và sạc nhanh hơn. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các điện giải này trên cả pin kim loại kẽm trong dung dịch và pin kim loại lithium không chứa nước, đạt được hiệu suất Coulombic ấn tượng và ổn định cao hơn. Zhao cũng lưu ý rằng "Truyền thống, việc phát triển điện giải thường tập trung vào các sửa đổi ở mức độ phân tử - điều chỉnh cấu trúc của các dung môi hoặc muối riêng lẻ." Ngược lại, công việc của chúng tôi theo đuổi một phương pháp vĩ mô hơn bằng cách khai thác các nguyên tắc cân bằng pha. Bằng cách xem xét cách mà toàn bộ hệ thống điện giải hoạt động dưới các điều kiện động, thay vì chỉ tập trung vào các phân tử riêng lẻ, chúng tôi chứng minh rằng có thể thiết kế các điện giải có khả năng thích ứng trong quá trình hoạt động.
Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng nghiên cứu của họ sẽ mở đường cho một dòng nghiên cứu mới nhằm vượt qua các thách thức phổ biến liên quan đến sự phát triển của công nghệ pin, sử dụng các khái niệm dựa trên lý thuyết cân bằng pha. Trong tương lai, phương pháp mà họ đã áp dụng có thể được sử dụng để thiết kế các điện giải tự thích ứng khác. Họ cũng có kế hoạch sử dụng chiến lược này để xác định các điện giải hứa hẹn khác, đồng thời tích hợp và thử nghiệm chúng trong các loại pin khác nhau. Wang bổ sung rằng "Công việc tương lai của chúng tôi sẽ tập trung vào việc đặc trưng hóa các quá trình bề mặt trong các điện giải tự thích ứng, cũng như mở rộng chiến lược này đến các hệ thống dạng gel." Việc mở rộng công thức cho việc kiểm tra trong các pin dạng túi dưới các quy trình sạc thực tế cũng là một bước quan trọng tiếp theo.
Nguồn tham khảo: techxplore
Theo Chang-Xin Zhao, tác giả chính của nghiên cứu, "Chúng tôi muốn giải quyết một thách thức đã tồn tại lâu trong công nghệ pin: sự đánh đổi giữa việc sạc nhanh và mật độ năng lượng cao." Trong quá trình sạc nhanh, điện thế của cực có thể vượt quá cửa sổ ổn định điện hóa của điện giải, dẫn đến các phản ứng không mong muốn. "Chúng tôi đã tự hỏi—liệu có thể để điện giải phản ứng một cách linh hoạt với quá trình sạc và mở rộng cửa sổ tiềm năng ổn định của nó theo thời gian thực hay không? Điều đó có thể là một phương pháp hứa hẹn để vượt qua giới hạn này."
Các điện giải mới được thiết kế dựa trên hiệu ứng "salting-out", một hiện tượng tách pha xảy ra khi thêm muối vào dung dịch, khiến một số thành phần trở nên ít tan hơn. Zhao giải thích rằng "Thú vị là, quá trình sạc trong pin tự nhiên tạo ra gradient nồng độ muối trong điện giải, điều này tạo ra các điều kiện cần thiết để hiện tượng này xảy ra." Dựa trên ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống điện giải có khả năng mở rộng cửa sổ ổn định một cách linh hoạt trong suốt quá trình hoạt động.
Các điện giải tự thích ứng được phát triển có hai đặc điểm nổi bật. Đầu tiên là thành phần ba chiều và hành vi "salting-out" của chúng. Mỗi điện giải bao gồm hai dung môi và một muối, tất cả đều được lựa chọn cẩn thận để tạo ra hiệu ứng "salting-out" thành công. Do đó, khi nồng độ muối thay đổi, sẽ xảy ra hiện tượng tách pha, mở rộng cửa sổ ổn định điện hóa của pin trong quá trình sạc nhanh. Đặc điểm thứ hai là các điện giải này được điều chế tại điểm mây, tức là chúng được thiết kế để nằm chính xác tại thành phần quan trọng ngay trước khi tách pha bắt đầu. Việc này làm cho hệ thống rất nhạy cảm với gradient nồng độ trong quá trình sạc, cho phép nó phản ứng linh hoạt bằng cách tách pha cục bộ, từ đó mở rộng cửa sổ ổn định điện hóa theo thời gian thực.
Công trình này mở ra những khả năng mới đầy hứng khởi cho việc phát triển các loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều hơn và sạc nhanh hơn. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các điện giải này trên cả pin kim loại kẽm trong dung dịch và pin kim loại lithium không chứa nước, đạt được hiệu suất Coulombic ấn tượng và ổn định cao hơn. Zhao cũng lưu ý rằng "Truyền thống, việc phát triển điện giải thường tập trung vào các sửa đổi ở mức độ phân tử - điều chỉnh cấu trúc của các dung môi hoặc muối riêng lẻ." Ngược lại, công việc của chúng tôi theo đuổi một phương pháp vĩ mô hơn bằng cách khai thác các nguyên tắc cân bằng pha. Bằng cách xem xét cách mà toàn bộ hệ thống điện giải hoạt động dưới các điều kiện động, thay vì chỉ tập trung vào các phân tử riêng lẻ, chúng tôi chứng minh rằng có thể thiết kế các điện giải có khả năng thích ứng trong quá trình hoạt động.
Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng nghiên cứu của họ sẽ mở đường cho một dòng nghiên cứu mới nhằm vượt qua các thách thức phổ biến liên quan đến sự phát triển của công nghệ pin, sử dụng các khái niệm dựa trên lý thuyết cân bằng pha. Trong tương lai, phương pháp mà họ đã áp dụng có thể được sử dụng để thiết kế các điện giải tự thích ứng khác. Họ cũng có kế hoạch sử dụng chiến lược này để xác định các điện giải hứa hẹn khác, đồng thời tích hợp và thử nghiệm chúng trong các loại pin khác nhau. Wang bổ sung rằng "Công việc tương lai của chúng tôi sẽ tập trung vào việc đặc trưng hóa các quá trình bề mặt trong các điện giải tự thích ứng, cũng như mở rộng chiến lược này đến các hệ thống dạng gel." Việc mở rộng công thức cho việc kiểm tra trong các pin dạng túi dưới các quy trình sạc thực tế cũng là một bước quan trọng tiếp theo.
Nguồn tham khảo: techxplore
