Các nhà khoa học từ Đại học Flinders, Nam Úc và Đại học Khoa học Công nghệ Chiết Giang, Trung Quốc đã phát triển loại pin gốc nhôm đầu tiên trên thế giới, sử dụng chất điện phân axit Lewis gốc nước.

 Các nhà khoa học Úc và Trung Quốc chế tạo thành công pin nhôm–ion hiệu suất cao, an toàn và thân thiện môi trường. Ảnh minh họa Scitech Daily

Những phát hiện của nhóm nhà khoa học Úc và Trung Quốc được công bố trên Tạp chí Hóa học uy tín của Hiệp hội Hóa học Mỹ.

Trang Interesting Engineering cho biết, TS Kai Zhang thuộc Đại học Khoa học Công nghệ Chiết Giang, hợp tác với phòng thí nghiệm nghiên cứu của GS Zhongfan Jia tại Đại học Flinders, Úc nghiên cứu khám phá tính chất điện hóa của các gốc ổn định. Chương trình hợp tác của các nhà khoa học hai trường Đại học tập trung vào chất điện phân axit Lewis được sử dụng phổ biến nhất, nhôm Trifilat Al(OTf)3 và tiến hành các thử nghiệm hoạt động của pin.

 Pin nhôm – ion sử dụng chất điện phân gốc nước

Các gốc ổn định là những phân tử hữu cơ, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống pin hữu cơ khác nhau. Nhưng những gốc ổn định này chưa bao giờ được sử dụng trong pin nhôm-ion (AIB) do không có kiến thức về phản ứng điện hóa trong chất điện phân.

Nhóm nhà khoa học đã phát hiện được gốc ổn định nitroxide có tên TEMPO là vật liệu điện cực hữu cơ điển hình có tính oxy hóa khử cao và động học điện hóa nhanh, được sử dụng rộng rãi làm vật liệu catốt trong các pin ion kim loại đa hóa trị.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã kiểm tra hành vi điện hóa học của TEMPO trong chất điện phân axit Lewis hữu cơ và nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy, gốc ổn định TEMPO trong chất điện phân Al (OTf)3, môi trường nước chuyển sang quá trình phản ứng ô xy hóa khử điện hóa thuận nghịch.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo pin nhôm-ion với cực âm là polymer hữu cơ gốc TEMPO, chất điện phân gốc nước có khả năng chống cháy và ổn định trong không khí, cho điện áp đầu ra ổn định 1,25 V, công suất 110 mAh/g. Trong thử nghiệm trên 800 chu kỳ sạc xả, ghi nhận được kết quả sụt giảm công suất chỉ 0,028% cho mỗi chu kỳ.

Đặc tính điện hóa này mở ra khả năng chế tạo pin nhôm-ion, vật liệu cho cực âm là polymer hữu cơ gốc ổn định với chất điện phân gốc nước.

GS Jia cho biết, hầu hết các loại pin đều chứa những vật liệu nguy hiểm, gây ô nhiễm môi trường khi thải loại ra các bãi rác chôn lấp hoặc vứt ra ngoài tự nhiên. Ông lưu ý, các vật liệu chì, cadmium và thủy ngân gây nhiễm độc cho con người và động vật, làm ô nhiễm đất và nước, đồng thời những loại vật chất tồn tại lâu dài trong môi trường và rất khó phân hủy.

Pin nhôm-ion sử dụng vật liệu cực âm là polymer hữu cơ gốc ổn định

Trả lời phỏng vấn của phóng viên, GS Jia giải thích, pin của nhóm nghiên cứu sử dụng chất điện phân gốc nước, có khả năng chống cháy, ổn định trong không khí, khiến cho pin an toàn hơn và bền vững với môi trường. Các nhà khoa học đã sử dụng vật liệu phân hủy sinh học để chế tạo pin dạng mềm nhằm giảm tác động môi trường.

Theo GS Jia, pin nhôm-ion có tiềm năng lớn là ứng viên thay thế pin lithium-ion hiện được sử dụng rộng rãi trong những thiết bị điện tử tiêu dùng, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo.

Ông nhấn mạnh, pin nhôm-ion sử dụng những nguyên tố hóa học, có trữ lượng dồi dào trong vỏ Trái đất, cung cấp mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với pin lithium-ion.

GS Jia giải thích, hiện nay, một thách thức lớn đối với pin nhôm ion AIB là sự chuyển động chậm của các phức ion nhôm( Al3+), khiến AIB có hiệu suất cực âm thấp. Các polymer liên hợp hữu cơ là cực âm mới được phát minh cho AIB, giải quyết vấn đề vận chuyển ion nhôm nhưng hiệu suất điện áp đầu ra của pin nhôm vẫn rất thấp. Thiết kế mới của nhóm nghiên cứu AIB giải quyết được thách thức này bằng phương pháp sử dụng các gốc ổn định làm cực âm, đạt được hiệu suất điện áp đầu ra, công suất cao với độ ổn định hiệu suất trong các chu kỳ sạc xả.

Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tối ưu hóa hơn nữa cấu trúc của pin để tăng hiệu suất và mở rộng quy mô sản xuất, cho phép thương mại hóa loại pin này trong tương lai.