Các nhà khoa học Mỹ và Trung Quốc cho biết, vật liệu điện cực mới do họ chế tạo là một bước tiến quan trọng về hướng phát triển các loại ắc quy ion liti lớn, tuổi thọ cao, có thể sử dụng cho các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn và đặt cố định tại chỗ.
Ắc quy ion liti là một trong những loại ắc quy có thể nạp lại với hiệu quả cao nhất nhờ chúng có mật độ năng lượng cao và ít chịu tác động của môi trường. Tuy nhiên, hiệu quả của các loại ắc quy ion liti hiện nay (thường sử dụng graphit làm vật liệu anôt) vẫn chưa đáp ứng yêu cầu của các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn – đây là những hệ thống có thể hỗ trợ mạng lưới điện thông minh, được liên kết với các nguồn năng lượng có thể tái sinh. Tốc độ nạp của ắc quy liti bị hạn chế vì ở điện áp lớn (cần thiết để nạp nhanh) thường xảy ra hiện tượng kết lắng liti (quá trình mạ), do đó dẫn đến đoản mạch ắc quy.
Các nhà khoa học tại Phòng Thí nghiệm quốc gia Bắc Kinh hy vọng giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng anôt TiNb2O7. ắc quy sử dụng anôt mới có công suất lưu trữ thuận nghịch là 281 mAh/g và đạt hiệu quả nạp điện cao ở điện áp lưu trữ trung bình 1,66 V, thấp hơn nhiều điện áp mạ liti, vì vậy chúng an toàn hơn. Những ắc quy này có tốc độ nạp điện đặc biệt cao – chúng có thể nạp đến 70% dung lượng chỉ trong vòng 3 phút, và có tuổi thọ dài – sau hơn 1000 chu kỳ nạp chúng vẫn giữ được 84% dung lượng. Hơn nữa, TiNb2O7 xốp có mật độ điện tích cao gần gấp đôi graphit thương mại và cao gấp 6 lần TiO2 dạng bột nano, vì vậy nó cho phép lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với graphit và các vật liệu anôt cỡ nano khác trong ắc quy có cùng kích thước.
Các nhà nghiên cứu cho biết, những tính chất này có thể là do khung nano xốp có nhiều tính chất có lợi: Trước tiên, khung này có các kênh liên kết tốt với nhau, chúng hỗ trợ khuyếch tán chất điện ly vào vật liệu điện cực. Thứ hai, hệ số khuyếch tán cao của ion liti trong vật liệu TiNb2O7, tương tự hệ số khuyếch tán của liti trong những vật liệu đã được chào bán trên thị trường như LiCoO2 và LiMn2O4, giúp cải thiện động học bên trong và tạo điều kiện đạt năng lực nạp cao. Thứ ba, TiNb2O7xốp tạo ra đường dẫn điện liên tục dọc theo các tinh thể nano liên kết tốt với nhau. Cuối cùng, các kênh liên kết này có thể giảm nhẹ ứng suất của mạng tinh thể (ứng suất phát sinh do hiện tượng co giãn thể tích liên quan đến việc đưa liti vào và chiết liti ra), nhờ đó nâng cao độ bền chu kỳ và hiệu quả nạp điện của điện cực.
Theo các chuyên gia ắc quy tại ĐHTH Picardie (Pháp), đây là vật liệu điện cực mới, bền, có động học rất nhanh và chu kỳ ổn định. Tuy nhiên, giá của vật liệu này còn rất cao do sử dụng niobi.
Những nhà khoa học sáng chế ra loại điện cực mới nói trên cho rằng, một trong những nguyên nhân khiến cho giá của niobi cao là do nó rất khó tách khỏi tantali vì hai nguyên tố này có những tính chất vật lý và hóa học rất giống nhau. Họ hy vọng sẽ tìm được vật liệu thay thế rẻ hơn.
HV, theo ChemistryWorld 4-2014
Leave a Reply