Language
Country/Area
No result found
Cuộc cách mạng của pin lithium-không khí: Tại sao các nhà khoa học lại quan tâm trở lại sau những năm 2000?
Pin lithium-không khí (Li-air) là loại pin điện hóa kim loại-không khí sử dụng phản ứng oxy hóa của lithium ở cực dương và phản ứng khử oxy ở cực âm để tạo ra dòng điện. Các nhà khoa học suy đoán rằng việc kết hợp lithium với oxy xung quanh về mặt lý thuyết có thể tạo ra các tế bào điện hóa có năng lượng riêng cao nhất có thể. Theo nghiên cứu, về mặt lý thuyết, pin lithium-không khí khan có thể đạt năng lượng riêng khoảng 40,1 MJ/kg ở trạng thái tích điện (sử dụng Li2O2 làm sản phẩm và không bao gồm khối lượng oxy), tương đương với năng lượng riêng theo lý thuyết của xăng khoảng 46,8 MJ/kg. Rất gần.
Mặc dù pin lithium-không khí hiện tại chưa đạt đến hiệu suất ở mức lý thuyết, nhưng năng lượng riêng tiềm năng của nó gấp khoảng 5 lần so với pin lithium-ion thương mại và có thể đạt được phạm vi hoạt động khoảng 500 km, điều này một lần nữa đã thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học công nghệ này.
Trong lịch sử, khái niệm pin lithium-không khí đã được đề xuất ngay từ những năm 1970, ban đầu là nguồn năng lượng cho xe điện và xe hybrid. Nhưng do những thách thức kỹ thuật mà pin phải đối mặt, bao gồm thời gian sạc ngược, độ nhạy cảm với nitơ và nước cũng như độ dẫn điện bên trong của pin kém, vào thời điểm đó, khái niệm này được coi là có những rủi ro không tương xứng so với lợi ích. Kết quả là, nghiên cứu về pin lithium-không khí tiến triển chậm chạp cho đến cuối những năm 2000, khi lĩnh vực này lấy lại được sự chú ý nhờ những tiến bộ trong khoa học vật liệu.
Cơ chế thiết kế và vận hành
Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin lithium-không khí là các ion lithium di chuyển giữa cực dương và cực âm trong chất điện phân. Trong quá trình phóng điện của pin, các electron được chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua một mạch điện bên ngoài, trong khi các ion lithium di chuyển về cực âm. Trong quá trình sạc, kim loại lithium lắng đọng trên cực dương và oxy được giải phóng khỏi cực âm.
Thách thức của Cathode và Anode
Trong thiết kế pin lithium-không khí, kim loại lithium thường được sử dụng làm cực dương. Lithium giải phóng các electron ở cực dương, nhưng điều này cũng khiến cực dương phải đối mặt với nhiều thách thức, chẳng hạn như phản ứng với chất điện phân, lắng đọng lithium đuôi gai và những thay đổi hóa học ở bề mặt chất điện phân. Những thách thức này có thể dẫn đến giảm công suất năng lượng hoặc nguy cơ đoản mạch.
Về phía cực âm, phản ứng khử oxy cũng gặp phải vấn đề tích tụ sản phẩm quá mức và hiệu suất xúc tác thấp, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thiết yếu của pin lithium-không khí.
Đổi mới điện giải
Để giải quyết những thách thức kỹ thuật trên, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu khám phá nhiều thiết kế chất điện phân khác nhau, bao gồm các chất điện phân có tính axit, kiềm và khan. Mỗi phương pháp điện phân đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng vẫn còn chỗ để cải thiện hơn nữa.
Thương mại hóa và triển vọng tương lai
Mặc dù hiệu suất của pin lithium-không khí trong phòng thí nghiệm rất đáng khích lệ nhưng vẫn còn nhiều khó khăn cần vượt qua trên con đường thương mại hóa. Ví dụ, các vấn đề như độ ổn định lâu dài và vòng đời cần được giải quyết. Nhu cầu về pin của ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là pin mật độ năng lượng cao, vẫn là động lực chính cho sự phát triển của pin lithium-không khí.
Trước áp lực kép về nhu cầu năng lượng và các vấn đề về môi trường, nghiên cứu của các nhà khoa học sẽ không bao giờ dừng lại. Liệu trong tương lai có thể tìm ra giải pháp đột phá dẫn đến thương mại hóa công nghệ pin lithium-không khí?
Trong tương lai, pin lithium-không khí có tiềm năng trở thành lựa chọn phổ biến cho xe điện. Điều này không chỉ vì mật độ năng lượng cao của chúng có thể tăng đáng kể phạm vi bay mà còn vì chúng có thể giúp việc lưu trữ năng lượng tái tạo hiệu quả hơn. Tuy nhiên, những hạn chế của công nghệ hiện tại đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tiếp tục làm việc chăm chỉ và khám phá những con đường đổi mới hơn. Liệu một ngày nào đó pin lithium-air có thực sự thay đổi cách chúng ta di chuyển bằng điện không?
