Quy trình từ phát minh trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng trong thực tế thường rất dài và đầy thách thức. Quy trình phát triển pin lithium-lưu huỳnh là một ví dụ điển hinh. Mặc dù pin lithium-lưu huỳnh có những ưu điểm vượt trội so với pin lithium-ion, đang được sử dụng trong xe hơi, nhưng vẫn chưa được thị trường hóa dù mất nhiều năm nghiên cứu phát triển.

Pin lithium lưu huỳnh có tiềm năng thay thế pin Lithium ion do mật độ năng lượng cao, chi phí thấp, không sử dụng kim loại quý hiếm. Ảnh Scitech Daily.

Những kết quả nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng (DOE) Mỹ có thể sẽ tạo ra một tiến bộ mang tính đột phá trong quá trình phát triển loại pin có chi phí thấp, hiệu suất sử dụng cao này.

Trang Scitech Daily đưa tin, trong một thập kỷ nỗ lực nghiên cứu, nhóm nhà khoa học đã có được những khám phá quan trọng trong cấu trúc của pin lithium-lưu huỳnh. Kết quả nghiên cứu mới nhất, được công bố trên tạp chí Nature đã phát hiện được một cơ chế phản ứng hóa học mới, chưa từng biết đến trước đây, có thể giải quyết một nhược điểm lớn hiện có, đó là vòng đời rất ngắn của pin.

Nhà hóa học Gui-Liang Xu thuộc Phòng Kỹ thuật và Khoa học Hóa học của Argonne cho biết “Những nỗ lực của nhóm chúng tôi có thể mang lại cho nước Mỹ một bước tiến lớn mang tính đột phá trong trong chiến lược xây dựng môi trường giao thông xanh và bền vững.”

Pin lithium-lưu huỳnh có 3 ưu điểm vượt trội so với pin lithium-ion hiện nay. Thứ nhất, pin lithium-lưu huỳnh có thể lưu trữ năng lượng gấp từ 2 đến 3 lần trong một thể tích xác định, cho phép xe điện đi được quãng đường dài hơn. Thứ hai, pin có giá thành thấp do nguồn lưu huỳnh dồi dào và giá cả phù hợp, do đó pin lithium- lưu huỳnh có hiệu quả kinh tế cao hơn so với pin lithium-ion. Thứ ba, loại pin này không phụ thuộc vào những nguồn tài nguyên quan trọng và khó khai thác như coban và niken, có nguy cơ cạn kiệt trong tương lai.

Mặc dù có những ưu điểm rõ ràng, tiến trình chuyển đổi từ thành công trong phòng thí nghiệm sang thương mại hóa sản phẩm đối mặt với những thách thức khó khăn. Các tế bào pin trong phòng thí nghiệm cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn, nhưng khi mở rộng sang lĩnh vực chế tạo thương mại, hiệu suất của các tế bào pin suy giảm nhanh chóng khi thực hiện sạc và xả nhiều lần.

Nguyên nhân cơ bản của sự suy giảm hiệu suất pin có nguyên nhân từ sự cố hòa tan của lưu huỳnh từ cực âm trong quá trình phóng điện, hình thành các chất trung gian polysulfide lithium hòa tan (Li2S6), tồn tại trong mọi quá trình hoạt động điện hóa của pin Lithium-lưu huỳnh.

Hợp chất trung gian này bám vào điện cực âm kim loại lithium (cực dương của pin) trong quá trình sạc, gây lên sự suy giảm trầm trọng hơn. Do đó, tình trạng mất lưu huỳnh từ cực âm và thay đổi thành phần cực dương là nguyên nhân chính làm sụt giảm hiệu suất của pin trong quá trình sử dụng.

Trong một nghiên cứu gần đây trước đó, các nhà khoa học Argonne đã phát triển một vật liệu xúc tác, khi bổ sung một lượng nhỏ vào cực âm lưu huỳnh, cơ bản sẽ loại bỏ được tình trạng thất thoát lưu huỳnh.

Chất xúc tác này khi tham gia các phản ứng điện hóa trong các tế bào pin phòng thí nghiệm và tế bào pin sản xuất cho thương mại đều cho kết quả đầy hứu hẹn, nhưng cơ chế hoạt động quy mô nguyên tử của chất xúc tác vẫn chưa được khám phá.

Nghiên cứu gần đây nhất ở cấp độ nguyên tử của nhóm nhà khoa học Mỹ đã làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của chất xúc tác này. Trong trường hợp tế bào pin không có chất xúc tác, chất trung gian lithium polysulfide (LiPS) hình thành trên bề mặt cực âm (cathode), sau một loạt phản ứng điện hóa, cuối cùng chuyển cực âm (cathode) thành hợp chất Liti sunfua (lithium sulfide) Li2S.

Xu cho biết: “Nhưng nếu bổ sung một lượng nhỏ chất xúc tác ở cực âm sẽ tạo nên sự khác biệt. ​Trên cực âm sẽ xuất hiện những phản ứng khác hẳn, không có những phản ứng trung gian chuyển hóa cực âm.”

Các nhà khoa học đã phát hiện một hiện tượng quan trọng, sự hình thành những bọt lithium polysulfide có kích thước nano dày đặc trên bề mặt cực âm. Những bọt chất trung gian lithium polysulfide không xuất hiện nếu không có chất xúc tác.

Những bong bóng nano polysulfide lithium này nhanh chóng lan rộng khắp cấu trúc cực âm trong quá trình phóng điện, biến đổi thành các hạt lithium sulfide tinh thể có kích thước nano. Quá trình bao phủ cực âm của các hạt lithium sulfide ngăn chặn sự thất thoát lưu huỳnh và suy giảm hiệu suất trong các tế bào pin thương mại.

Để hiểu rõ cơ chế phản ứng này, các nhà khoa học Mỹ đã sử dụng các kỹ thuật mô tả đặc tính tiên tiến. Những phân tích cấu trúc của chất xúc tác với chùm tia X synchrotron cường độ cao ở thiết bị Quang phổ: Beamline 20-BM của Nguồn Photon Tăng cường trong Cơ sở người dùng thuộc Văn phòng Khoa học của DOE, cho thấy, chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong quá trình phản ứng.

Cấu trúc chất xúc tác ảnh hưởng đến hình dạng và thành phần của sản phẩm cuối cùng trong các phản ứng điện hóa khi phóng điện cũng như những sản phẩm trung gian. Khi sử dụng chất xúc tác, sẽ hình thành các tinh thể nano lithium sulfua trong quá trình phóng điện của pin. Nếu không có chất xúc tác, sẽ hình thành những cấu trúc hình que siêu nhỏ.

Một kỹ thuật quan trọng khác được phát triển tại Đại học Hạ Môn Trung Quốc đã cho phép nhóm nghiên cứu hình dung được giao diện điện cực – chất điện phân ở cấp độ nano khi tế bào thử nghiệm đang hoạt động. Kỹ thuật mới được phát minh này giúp giải thích những thay đổi tính chất vật lý của hóa chất ở cấp độ nano với chu trình hoạt động của một tế bào pin cấp thương mại.

Nhà hóa học Xu nhận định: “Trên cơ sở những khám phá ấn tượng này, chúng tôi sẽ thực hiện nhiều nghiên cứu hơn để thiết kế cực âm lưu huỳnh chất lượng cao hơn nữa. Đồng thời chúng tôi cũng khám phá khả năng áp dụng cơ chế hóa học này cho những loại pin tương lai, không sử dụng lithium như pin natri-lưu huỳnh.”

Phát hiện mang tính đột phá của nhóm nghiên cứu mở ra một tương lai mới của pin lithium-lưu huỳnh, cung cấp giải pháp lưu trữ năng lượng bền vững và thân thiện với môi trường hơn cho ngành giao thông vận tải.