Nhóm nhà khoa học do PGS Kỹ thuật Hóa học Mohammad Asadi thuộc Viện Công nghệ Illinois đã phát triển một thiết kế đột phá với hy vọng đưa pin lithium-air có được hiệu quả cao trong lĩnh vực thương mại, phát triển nhiều phương tiện vận chuyển điện hơn và giảm lượng khí thải carbon.

Sau gần một thập kỷ làm việc trong ngành dầu khí, PGS Asadi bắt đầu quan tâm đến carbon dioxide trong khí quyển và tính bền vững mô. Asadi cho biết: “Giao thông vận tải sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc carbon nhiều nhất ở Mỹ và chiếm “khoảng 38-40% năng lượng thế giới”.

 “Điện sẽ là giải pháp tốt nhất để chuyển đổi,” Asadi nói: “Nhiên liệu hóa thạch thường được sử dụng để sản xuất điện ở các địa phương và sau đó vận chuyển điện  đi các nơi và điện khí hóa, do đó sẽ không phát thải quá nhiều vào môi trường và chỉ trong một khu vực được kiểm soát. "

Nhưng phương tiện vận chuyển bằng điện có thể sạc từ các nguồn năng lượng sạch, giảm đáng kể lượng khí thải. Nhưng để điện khí hóa giao thông vận tải, cần pin lưu trữ điện năng dung lượng lớn. Hiện nay, pin lithium-ion là loại phù hợp nhất, nhưng pin lithium-air có những lợi thế rất lớn.

PGS Asadi phân tích: “Giả thiết có một xe ô tô điện, có thể chạy 300 dặm không sạc, nhưng nếu thay thế công nghệ pin lithium-ion bằng công nghệ pin lithium-air, với cùng một thể tích và khối lượng pin, xe ô tô điện có thể tăng dự trữ hành trình lên từ 5-6 lần”.

Trong vài thập kỷ qua, pin lithium-air đầy tiềm năng nhưng chưa đưa vào sản xuất thương mại thay cho pin lithium-ion do những thách thức còn tồn tại: pin lithium-air có xu hướng chết sau số lần sạc lại ít hơn đáng kể so với pin lithium-ion, hiệu suất thấp hơn, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để sạc so với năng lượng phóng. PGS Asadi nỗ lực phát triển các giải pháp cải thiện cả hai vấn đề này.

Số lần có thể sạc lại được gọi là vòng đời của pin và chính không khí trong pin lithium-air đã khiến pin không có được vòng đời lâu dài. Bản chất thực sự cung cấp năng lượng của pin lithium-air là phản ứng hóa học giữa oxy và lithium xảy ra trên bề mặt cực âm, thành phần mang điện tích âm trong pin.

Không khí có nhiều oxy và những chất khác như carbon monoxide, nitơ và nước… có thể phản ứng với lithium trong pin và phong tỏa hệ thống, ngăn cản oxy đến cathode và phản ứng hóa học làm cho pin hoạt động. Những chất này chiếm dụng lithium, khiến lượng ion lithium còn lại rất ít cho các phản ứng với oxy.

Trong một báo cáo khoa học, đăng trên tạp chí Nature năm 2018 và Advanced Materials năm 2020, PGS Asadi đã phát triển một kết hợp độc đáo các thành phần pin bên trong, cho phép lithium và oxy phản ứng với mức tối thiểu sự can thiệp của tạp chất.

Asadi nói: “Chúng tôi có thể chế tạo cấu trúc hóa học của cathode chỉ thuận lợi cho phản ứng khử và chuyển hóa oxy, loại bỏ sự hình thành những sản phẩm phụ làm giảm hiệu quả trong quá trình quay vòng. Chúng tôi cũng phát triển một chất điện phân lai ghép đặc biệt, hoàn toàn mới có thể hấp thụ những tạp chất đó”.

Nhóm nhà khoa học bảo vệ cực dương (anode) của pin, được làm bằng lithium bằng một lớp phủ lithium cacbonat, hoạt động như một bộ lọc ngăn chặn mọi vật chất ngoại trừ các ion lithium đến và đi khi pin sạc và phóng điện.

Đồng thời, nhóm nghiên cứu thiết kế một hỗn hợp cụ thể, chất lỏng mang các ion lithium di chuyển giữa cực dương và cực âm, làm giảm khả năng lithium phản ứng với các vật chất khi di chuyển.

Khi các ion lithium di chuyển an toàn từ cực dương sang cực âm, vật liệu của cực âm hoạt động như một chất xúc tác, thúc đẩy lithium phản ứng với ôxy và pin cung cấp năng lượng. Phát triển theo hướng này cho phép pin lithium-air có vòng đời dài đáng kể, đạt được 1.200 lần sạc và phóng điện trong thiết kế gần đây nhất.

Để xử lý hiệu quả phản ứng hóa học, PGS Asadi nghiên cứu phát triển các vật liệu cathode mới. Phần khó khăn là hai phản ứng phải xảy ra ở cực âm: sự hình thành lithium peroxide khi pin phóng điện và ngược lại, phá vỡ lithium peroxide khi pin được sạc.

Mặc dù nhiều vật liệu xúc tác có thể được sử dụng cho cực âm để tăng tốc một trong những phản ứng này, nhưng tìm ra một loại vật liệu có thể tăng tốc độ cho cả hai phản ứng này thực sự khó khăn.

Trong thiết kế mới nhất, nhóm nghiên cứu của PGS Asadi thử nghiệm thành công một vật liệu rẻ tiền là chất xúc tác nano trimolybdenum phosphide,  có thể thúc đẩy hiệu quả cả hai phản ứng hóa học.

Asadi nói: “Sử dụng công nghệ nay, chúng tôi đạt mức năng lượng tiêu hao thấp nhất cho cả hai phản ứng, tổn hao năng lượng không đáng kể trong quá trình sạc và phóng. Đây là loại pin lithium-air tốt nhất có thể”.

Mặc dù đạt được bước tiến đột phá trong phát triển pin lithium-air, PGS Asadi cho biết, trái đất lithium trên trái đất để tạo ra số lượng pin cần thiết cho một tương lai điện hóa hoàn toàn. Nhưng các nguyên tắc thiết kế cơ bản của pin có thể chuyển đổi được.

PGS Asadi nói:  “Chúng tôi đang nghiên cứu để thay thế liti bằng các vật liệu sẵn có hơn liti, như natri, magiê, nhôm và canxi, những kim loại khác này có thể được chế tạo pin, có khả năng lưu trữ năng lượng tương đương với pin lithium hiện nay”.