Trong một nghiên cứu mới, nhóm nhà khoa học Đức đã có một phát minh đột phá, chế tạo thành công vật liệu polymer oxi hóa khử hữu cơ, được sử dụng làm điện cực dương trong pin nhôm-ion, ứng viên thay thế pin Lithium-ion.
Pin nhôm-ion được xác định như một thay thế tiềm năng cho pin truyền thống, chế tạo từ các vật liệu hạn hẹp về tài nguyên và khó tái chế như lithium. Những nguyên nhân chủ yếu là sự phong phú của nhôm trong lớp vỏ Trái đất, khả năng tái chế dễ dàng, tính an toàn cao và hiệu quả chi phí so với lithium.
Nhưng đến nay, sự phát triển của pin nhôm-ion vẫn còn ở giai đoạn ban đầu, do các nhà khoa học đang tìm kiếm vật liệu điện cực thích hợp, có thể cung cấp đầy đủ dung lượng lưu trữ cho pin.
Trang Scitech Daily, dẫn trang web của Đại học Freiburg cho biết Một nhóm nghiên cứu do nhà khoa học Gauthier Studer dẫn đầu, được GS TS Birgit Esser thuộc Đại học Ulm, GS TS Ingo Krossing và GS TS Anna Fischer thuộc Đại học Freiburg dẫn dắt đã thực hiện một sáng tạo đột phá. Nhóm nhà khoa học phát triển thành công một vật liệu điện cực dương, được chế tạo từ một polymer oxi hóa khử hữu cơ trên nền tảng hợp chất hữu cơ phenothiazin.
Trong thí nghiệm, pin nhôm với vật liệu điện cực này lưu trữ được công suất chưa từng có trước đây là 167 milliampere giờ/gam (mAh/g). Vật liệu hữu cơ polymer oxi hóa khử, được sử dụng làm cực dương có hiệu năng vượt quá cả than chì, loại vật liệu chủ yếu được sử dụng làm vật liệu điện cực dương trong pin cho đến nay. Kết quả của nghiên cứu được đăng trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường .
Vật liệu điện cực chèn các ion âm (anion) nhôm phức hợp
Vật liệu điện cực bị oxy hóa trong quá trình sạc pin, hấp thụ các hạt ion nhôm âm anion aluminat phức hợp. Theo phương thức nà, chất polymer oxy hóa khử hữu cơ etyl clorua có thể được chèn 2 anion clorua nhôm (AlCl 4) thuận nghịch trong quá trình sạc. Các nhà nghiên cứu sử dụng chất lỏng ionic etyl clorua là chất điện phân có clorua nhôm.
Pin nhôm ion với khả năng lưu trữ tăng cường
Sơ đồ nguyên lý của pin cho thấy quá trình oxi hóa khử, vật liệu điện cực bị oxi hóa và các ion âm clorua nhôm “anion aluminat” lắng đọng trên bề mặt. Ảnh: Birgit Esser / Đại học Freiburg
Nhà nghiên cứu Gauthier Studer cho biết: “Nghiên cứu về pin nhôm là một lĩnh vực nghiên cứu có sức lôi cuốn lớn với tiềm năng trở thành các hệ thống lưu trữ năng lượng trong tương lai. Trọng tâm của nhóm là phát triển các vật liệu hoạt tính oxi hóa khử hữu cơ mới, thể hiện các đặc tính có thể đảo ngược (sạc và xả) với hiệu suất cao. Bằng phương pháp nghiên cứu các đặc tính oxi hóa khử của etyl clorua trong chất lỏng ion trên cơ sở clorua nhôm, chúng tôi đã tạo ra một bước đột phá quan trọng, lần đầu tiên chứng minh quá trình oxi hóa khử hai điện tử thuận nghịch cho vật liệu điện cực trên nền tảng chất hữu cơ phenothiazin. ”
Pin nhôm-ion sau 5.000 chu kỳ sạc ở 10 C vẫn giữ được 88% dung lượng
Chất điện phân etyl clorua lắng đọng các ion clorua nhôm (anion) (AlCl4) ở điện thế 0,81 và 1,65 vôn và cung cấp dung lượng ên tới 167 mAh/g. Trong khi đó, khả năng phóng điện của than chì làm vật liệu điện cực trong pin nhôm là 120 mAh/g.
Sau 5.000 chu kỳ sạc, pin thử nghiệm do nhóm nghiên cứu chế tạo vẫn còn 88% dung lượng ở 10 C với tốc độ sạc và xả trong 6 phút. Ở tốc độ sạc và xả thấp, thời gian sạc và xả lâu hơn, pin không thay đổi về dung lượng ban đầu.
GS-TS Birgit Esser cho biết: “Với điện áp phóng điện cao và công suất cụ thể, khả năng duy trì công suất tuyệt vời ở tốc độ sạc xả nhanh, vật liệu điện cực polymer hữu cơ cho thấy một bước tiến lớn trong quá trình phát triển pin nhôm có thể sạc lại, mở ra những giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả cao, dễ chế tạo và giá cả phù hợp.”