Pin lithium-air phá vỡ rào cản hiệu suất nhờ chất xúc tác mới

Khi thị trường xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) phát triển nhanh chóng, việc phát triển các loại pin thế hệ tiếp theo có khả năng vượt qua những hạn chế về mật độ năng lượng của pin lithium-ion hiện có đang thu hút sự chú ý đáng kể. Trong số đó, pin lithium-air được coi là công nghệ có tiềm năng làm tăng đáng kể phạm vi hoạt động của xe điện, vì về mặt lý thuyết, có thể đạt được mật độ năng lượng cao hơn gấp 10 lần so với pin lithium-ion. Tuy nhiên, thách thức chính đối với việc thương mại hóa là số lượng vị trí xúc tác hoạt động hạn chế, gây cản trở các phản ứng oxy trong quá trình sạc và xả, dẫn đến tốc độ phản ứng chậm và tuổi thọ ngắn.

Một nhóm nghiên cứu ở Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc và Viện Kỹ thuật Tiên tiến (Hàn Quốc) đã phát triển thành công công nghệ chất xúc tác giúp tối đa hóa hoạt tính bề mặt của vật liệu nano hai chiều tungsten diselenide (WSe₂). Sự đổi mới này đồng thời nâng cao hiệu suất và độ bền của pin lithium-air. Cốt lõi của công nghệ này nằm ở việc chuyển đổi toàn bộ mặt phẳng đáy của vật liệu hai chiều - trước đây chỉ tham gia rất ít vào các phản ứng hóa học - thành một vị trí xúc tác hoạt động.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng chiến lược thay thế các nguyên tử bạch kim (Pt) vào cấu trúc lớp của vật liệu nano hai chiều (WSe₂), cố ý tạo ra các lỗ trống ở cấp độ nguyên tử tại những vị trí mà các nguyên tử selen (Se) bị thiếu trên bề mặt. Lỗ trống này hoạt động như một vị trí phản ứng quan trọng, hấp thụ mạnh và kích hoạt các phân tử oxy, làm tăng đáng kể tốc độ phản ứng của cả phản ứng khử oxy (ORR) và phản ứng tạo oxy (OER). Ý nghĩa công nghệ đặc biệt lớn vì giúp tối đa hóa khả năng sử dụng của vật liệu hai chiều bằng cách chuyển đổi toàn bộ mặt phẳng đáy thành một vị trí hoạt động mà không làm giảm độ dẫn điện.

Pin lithium-air tích hợp chất xúc tác này đã chứng minh tuổi thọ ổn định vượt quá 550 chu kỳ ngay cả trong điều kiện sạc - xả nhanh (tốc độ 1 C). Hơn nữa, nó thể hiện độ ổn định và độ bền vượt trội so với các chất xúc tác thương mại đắt tiền hiện có, chẳng hạn như Pt/C và ruthenium oxide (RuO₂), trên phạm vi rộng các tốc độ sạc-xả từ 0,1C đến 3C. Kết quả này cho thấy tiềm năng hiện thực hóa các loại pin thế hệ tiếp theo với sự suy giảm hiệu suất tối thiểu ngay cả trong điều kiện sạc tốc độ cao.

Thành tựu này rất quan trọng vì đưa ra một phương pháp thiết kế mới khắc phục những hạn chế về cấu trúc của vật liệu hai chiều bằng cách sử dụng toàn bộ vật liệu làm vị trí hoạt tính xúc tác. Điều này được kỳ vọng sẽ góp phần giảm chi phí và nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng năng lượng yêu cầu chất xúc tác hiệu suất cao, bao gồm pin lithium-air, điện phân nước và pin nhiên liệu.

Không chỉ cải thiện đáng kể hiệu suất sạc - xả nhanh, vốn là một thách thức lớn đối với pin lithium-air, đẩy nhanh tiến độ thương mại hóa các hệ thống năng lượng di động công suất cao, kết quả của nghiên cứu còn đưa ra một chiến lược kiểm soát ở cấp độ nguyên tử, sử dụng mặt phẳng đáy chưa được khai thác trước đây trong khi vẫn duy trì được những lợi thế về cấu trúc của vật liệu hai chiều.

Hoàng Kim - Theo https://techxplore.com/