Sắp có thể làm pin từ canxi và oxy, không cần phải mất công phá môi trường để khai thác đất hiếm lấy lithium?

Pin canxi-oxy có thể sạc lại hoạt động đầu tiên đã được một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc phát triển. Mẫu pin thử nghiệm đã được sạc và xả hơn 700 lần ở nhiệt độ phòng. Nhóm nghiên cứu tin rằng hiệu suất vượt trội của pin bắt nguồn từ quá trình oxy hóa khử hai electron hiệu quả, được hỗ trợ bởi sự kết hợp cụ thể giữa vật liệu điện cực và chất điện phân. Trong một cuộc trình diễn tính thực tế của ý tưởng (proof of concept), các nhà nghiên cứu đã kết hợp pin canxi-oxy vào sợi dệt linh hoạt, tạo ra loại vải có khả năng sạc điện thoại di động.

Canxi là kim loại hóa trị hai có nhiều nhất trên Trái đất. Vì vậy về mặt lý thuyết, loại pin từ canxi này có thể cung cấp giải pháp thay thế rẻ hơn và mật độ năng lượng cao hơn pin lithium-ion. Tuy nhiên, bán kính nguyên tử lớn hơn và điện tích cao hơn của canxi tạo ra nhiều vấn đề cần phải khắc phục để tạo ra một loại pin khả thi.

Alexandre Ponrouch , nhà nghiên cứu pin tại Viện Khoa học Vật liệu ở Barcelona, ​​Tây Ban Nha , giải thích: “Pin canxi bị hạn chế bởi hiệu suất coulombic thấp (hiệu suất truyền điện tích) của cực dương kim loại canxi và từ nguồn vật liệu hoạt động cực âm có thể có rất hạn chế". Vì canxi kim loại nhẹ có bán kính nguyên tử lớn hơn và liên kết phân tử mạnh hơn lithium, nên các vấn đề nảy sinh trong điều kiện bình thường khiến pin canxi không thể sử dụng được trong thực tế. Mặc dù những loại pin như vậy có mật độ năng lượng cao nhưng chúng chỉ có thể được sạc lại một vài lần ở nhiệt độ phòng và do đó không phù hợp để sử dụng hàng ngày.

Đây là một trong những vấn đề chính được Giáo sư Huisheng Peng tới từ khoa Khoa học Đại phân tử của Đại học Phúc Đán, Thượng Hải và nhóm cộng tác của ông giải quyết trong thiết kế pin mới của họ. Thông thường, pin canxi-oxy tạo thành sản phẩm phóng điện oxit canxi ở cực âm trong quá trình oxy hóa khử bốn electron. Ôxít cực kỳ ổn định này phân hủy chậm ở nhiệt độ hoạt động thông thường, giữ lại các ion canxi và hạn chế đáng kể khả năng sạc lại của pin.

Tuy nhiên, bằng cách sử dụng sự kết hợp được lựa chọn cẩn thận giữa chất điện phân gốc chất lỏng ion và các tấm ống nano carbon thẳng hàng làm cực âm không khí, nhóm của Peng đã ưu tiên hình thành canxi peroxide có hoạt tính cao hơn thông qua phản ứng hai electron. Khi pin đang sạc, sản phẩm kém bền này sẽ dễ dàng phân hủy, giải phóng các ion canxi và cho phép pin hoạt động trong hơn 700 chu kỳ.

Để tìm hiểu cơ chế khử xảy ra ở cực âm, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các phép tính mật độ điện tích vi sai trên phạm vi rộng và chỉ ra rằng tấm ống nano thiên về sự chuyển electron bằng canxi peroxit so với canxi oxit. Bản thân việc phân tích vật liệu cực âm cũng cho thấy sự hình thành pha trung gian chất điện phân rắn canxi florua dẫn điện (có nguồn gốc từ chất điện phân chứa florua), giúp thúc đẩy hơn nữa quá trình vận chuyển hiệu quả các ion canxi qua pin.

Sau đó nhóm của Peng sau đó tập trung vào việc điều chỉnh pin cho các thiết bị điện tử có thể đeo được. Họ phủ canxi vào sợi ống nano trung tâm, bao quanh sợi này bằng chất điện phân gel gốc chất lỏng ion và bọc bộ pin hoàn chỉnh trong vỏ bọc cực âm ống nano carbon để tạo ra pin giống như dây tóc linh hoạt. Những sợi pin này được dệt thành vải thoáng khí và vải thành phẩm sau đó có thể cung cấp năng lượng cho điện thoại di động.

Những loại pin này vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm và còn lâu mới được thương mại hóa, nhưng nhóm hy vọng rằng công trình này sẽ mở ra những khả năng mới cho thiết kế cực âm tốt hơn. Đối với Ponrouch, đây là một khởi đầu đáng khích lệ nhưng ông vẫn thận trọng, cho rằng có thể phải mất nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ công nghệ này mới sẵn sàng để sử dụng rộng rãi.

Ngọc Long