Vật liệu ống nano-graphene lai thúc đẩy phát triển dòng pin lithium metal

Loại pin này chứa đựng lithium chỉ có duy nhất một anôt (cực dương), một graphene lai được đúc khối và các ống nano cacbon. Về cơ bản, loại vật liệu đầu tiên được tạo ra ở Trường Đại học Rice vào năm 2012 có bề mặt cacbon 3 chiều để cung cấp nhiều diện tích cho lithium tồn tại.

Bản thân anôt này gần như đạt được lý thuyết tối đa trong việc lưu trữ lithium metal đồng lúc chống lại sự hình thành các vấn đề dendrite gây hư hỏng pin (chất lắng đọng phủ lên bề mặt như “rêu”).

Vấn đề dendrites xảy ra trong pin đã làm hỏng những nỗ lực thay thế pin lithium –ion sang pin lithium metal tiên tiến có khả năng sạc nhanh hơn và bền hơn của các nhà khoa học. Dendrites là chất lithium bị lắng đọng phát triển thành chất điện phân của pin. Nếu chúng kết nối với anôt và catôt sẽ tạo ra một mạch ngắn, làm cho pin sẽ bi hỏng, bắt lửa hoặc thậm chí nổ. 

Mới đây, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Rice do nhà hóa học James Tour đứng đầu đã phát hiện ra rằng trong khi loại pin mới này sạc điện, lithium metal sẽ phủ đều một lớp carbon lai dẫn điện cao mà trong đó các ống nano có liên kết cộng hóa trị với bề mặt graphene. 

Theo báo cáo đăng trên tạp chí American Chemical Society journal ACS Nano, loại pin lithium lai này thay thế anôt than chì trong các loại pin lithium-ion thông thường để nâng cao mức độ an toàn.

Ông James Tour nói rằng cực mới của rừng ống nano có mật độ thấp và diện tích bề mặt cao nên có rất nhiều không gian cho các hạt lithium dịch chuyển ra vào khi pin sạc và xả. Lithium được phân bố đều, lan tỏa rộng dòng điện tích tụ bởi các ion trong chất điện phân và ngăn chặn sự phát triển dendrite. “Mặc dù dung lượng của pin nguyên mẫu bị hạn chế bởi catot, nhưng vật liệu anôt lại có thể đạt được dung lượng lưu trữ lithium là 3.351 miliamph giờ/gam, gần bằng với lý thuyết tối đa và cao hơn 10 lần so với pin lithium-ion, Tour nói. “Điều này là do mật độ thấp của tấm thảm ống nano, nên lithium phủ có thể phủ hết toàn bộ bề mặt để đảm bảo bề mặt có thể sử dụng tối đa dung tích khả dụng”.

Các nhà khoa học đã thành công khi tạo ra được pin “Aha!” vào năm 2014 khi Abdul-Rahman Raji, cựu sinh viên làm việc tại phòng thí nghiệm của Tour và hiện là Phó giáo sư nghiên cứu tại Trường Đại học Cambridge, đồng tác giả nghiên cứu đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu lithium metal và ống nano –graphene lai.

Trong vòng 1 tuần, Raji và Rodrigo Villegas Salvatierra, phó giáo sư nghiên cứu tại Rice, và là đồng tác giả nghiên cứu đã lắng đọng thành công lithium metal thành một anôt lai độc lập do vậy khi quan sát dưới kính hiển vi ta sẽ thấy chúng rất khít với nhau, và đặc biệt là không hề phát hiện thấy sự phát triển dendrite trong pin. 

Theo báo cáo của các nhà nghiên cứu, để kiểm tra anôt này, phòng thí nghiệm của Rice đã chế tạo các loại pin hoàn toàn bằng catôt lưu huỳnh, có thể lưu giữ được 80% công suất sau hơn 500 chu kỳ sạc, vàcó tuổi thọ vào khoảng hai năm cho người sử dụng điện thoại bình thường. Hình ảnh kính hiển vi điện tử của các anôt sau khi thử nghiệm cho thấy không có dấu hiệu dendrites hoặc các cấu trúc phủ như rêu giống như đã được quan sát trên các anôt phẳng. Theo các nhà nghiên cứu, bằng mắt thường, các anốt trong pin có kích thước bằng ¼ so với loại thông thường này bị đen khi không có lithium metal và bạc.