Sạc đầy trong 18 giây? ! Không còn nỗi lo ra khỏi nhà và hết pin...

Điện thoại di động, máy tính, máy tính bảng, v.v. sử dụng pin làm nguồn năng lượng đã trở thành một phần trong cuộc sống của chúng ta và ngày càng nhiều người bắt đầu mắc chứng “nỗi lo về điện”, đồng thời, sự phổ biến ngày càng tăng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới đã khiến mọi người ngày càng khó sạc pin lâu - nhanh hơn! Sạc pin nhanh hơn một chút! Điều này đã trở thành mong muốn chung của tất cả mọi người.

Mong ước đó có thể sẽ sớm thành hiện thực. Mới đây, nhóm của Song Li, giáo sư tại Phòng thí nghiệm bức xạ Synchrotron quốc gia thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, đã phát triển một loại pin có khả năng sạc nhanh.

 

Hôm nay chúng ta sẽ nói nhiều hơn về nghiên cứu này.

 

Pin lithium-ion là một thiết bị lưu trữ năng lượng được công nhận rộng rãi. Với ưu điểm về mật độ năng lượng cao và dải nhiệt độ hoạt động rộng, pin lithium-ion đã chiếm phần lớn pin thương mại. Tuy nhiên, chất điện phân hữu cơ được sử dụng có tác hại nhất định đối với cơ thể con người và việc thiếu hụt nguồn lithium sẽ dẫn đến tình trạng thiếu hụt thị trường pin trong tương lai.

 

Pin kẽm-ion, như một tài năng mới trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, không chỉ có mật độ năng lượng lý thuyết cao mà còn có chất điện phân nước không độc hại, đảm bảo sản xuất và ứng dụng an toàn, hiệu quả. Ngoài ra, nguồn kẽm rẻ và dồi dào cũng giúp giảm đáng kể chi phí sử dụng pin, dự kiến ​​sẽ trở thành nguồn thay thế tiềm năng cho pin lithium-ion trong tương lai.

Mặc dù có nhiều khác biệt trong cách sử dụng vật liệu nhưng trạng thái hoạt động của pin kẽm-ion và pin lithium-ion trong quá trình sạc và xả rất giống nhau.

 

Vật liệu làm cực âm của pin thường có nhiều lớp: trong quá trình phóng điện của pin, các ion lithium (hoặc ion kẽm) sẽ được nhúng vào lớp vật liệu làm cực âm để lưu trữ; Trong quá trình sạc pin, các ion lithium (hoặc ion kẽm) sẽ thoát ra khỏi lớp vật liệu dương và quay trở lại điện cực âm.

Nhìn chung, nguyên lý hoạt động của pin là quá trình di chuyển ion và chuyển điện tử.

Nguyên lý sạc pin nhanh

Vậy trong nghiên cứu khoa học này, pin sạc nhanh đạt được như thế nào?

 

1. Mở rộng kênh vận chuyển ion

 

Như đã đề cập ở trên, quá trình sạc và xả pin kẽm-ion là quá trình di chuyển ion liên tục. Nếu muốn lưu trữ nhiều dung lượng pin nhất có thể trong một khoảng thời gian ngắn, bạn phải tạo một không gian lưu trữ lớn cho các ion kẽm.

 

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu tập trung vào vật liệu vanadi pentoxide phân lớp với cấu trúc không gian có thể điều chỉnh được. Vật liệu vanadi pentoxit phân lớp có cấu trúc như thể nó được sắp xếp bởi nhiều tấm song song. Để tăng khoảng cách lớp của vật liệu catốt phân lớp, các ion amoni lớn hơn có thể được xen kẽ trước. Điều này là để thêm trước một số trụ giữa các lớp này để tăng khoảng cách giữa các lớp.

 

Với sự hỗ trợ của các ion amoni, các ion kẽm có thể di chuyển dễ dàng hơn trong vật liệu điện cực dương và không gian giữa các lớp lớn hơn cũng có thể cải thiện hiệu quả khả năng lưu trữ năng lượng của pin.

 

 

2. Từ việc điều chỉnh sự chiếm giữ quỹ đạo đến việc tăng tốc độ chuyển điện tử

Điều quan trọng cần biết là quá trình lưu trữ năng lượng của pin có liên quan chặt chẽ đến sự di chuyển ion và chuyển điện tử. Khi các ion kẽm đi vào lớp vật liệu catốt để lưu trữ, một số electron cũng sẽ được chuyển sang vật liệu catốt để duy trì sự cân bằng điện tích tổng thể. Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các ion xen kẽ đến cấu trúc điện tử của vật liệu phân lớp cũng rất quan trọng.

 

Tuy nhiên, các phương pháp thử nghiệm thông thường rất khó khám phá rõ ràng cấu trúc nguyên tử và điện tử bên trong của vật liệu. Do đó, cần có các kỹ thuật mô tả đặc tính bức xạ synchrotron tiên tiến hơn để phát hiện. Nói một cách đơn giản, công nghệ bức xạ synchrotron có thể hiểu là phiên bản nâng cao của “siêu kính hiển vi”, sử dụng đặc tính độ sáng cao và dải rộng để xem cấu trúc bên trong của vật chất.

Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu những thay đổi về sự chiếm giữ quỹ đạo nguyên tử trong vật liệu vanadi pentaoxit sau khi chèn các cột ion amoni giữa các lớp và sự tiến triển thuận nghịch của quá trình tích điện và phóng điện.

 

Ở đây trước tiên chúng tôi giới thiệu khái niệm cơ bản về cấu trúc điện tử.

 

Đối với các nguyên tố có electron ngoài hạt nhân, các electron của chúng không bị lộn xộn mà được sắp xếp theo quỹ đạo. Hơn nữa, các electron luôn chiếm các quỹ đạo có năng lượng thấp hơn trước, tức là các hạt nhân ở trung tâm, sắp xếp từ trong ra ngoài.

 

Đối với vanadi, sự sắp xếp electron hóa trị của nó được hiển thị bên dưới, với năm electron hóa trị ở lớp ngoài. Trong vanadi pentoxit, cả năm electron được sử dụng để liên kết với các nguyên tử oxy. Tại thời điểm này, quỹ đạo 3d của vanadi là quỹ đạo trống không có electron chiếm giữ.

 

 

3. Sự điều chỉnh kép của cấu trúc tinh thể và cấu trúc điện tử làm cho chu kỳ sạc nhanh và ổn định trở thành hiện thực

Khi sử dụng vật liệu catốt mới này, pin zn-ion đạt được dung lượng 101mAh/g ở mật độ dòng điện 200C và thời gian sạc chỉ mất 18 giây. Đồng thời, chất điện giải nước còn đảm bảo an toàn cho quá trình tuần hoàn và giảm thiểu ô nhiễm ra môi trường.

 

Trong bài báo này, khoảng cách lớp và trạng thái chiếm quỹ đạo của vật liệu phân lớp được thiết kế và điều chỉnh từ cấu trúc tinh thể và cấu trúc điện tử của vật liệu. Đồng thời, kết hợp với các phương tiện mô tả đặc tính bức xạ synchrotron tiên tiến, sự phát triển của cấu trúc vật liệu trực quan và rõ ràng hơn, do đó có thể tạo ra vật liệu điện cực dương có đặc tính sạc nhanh.

 

Có lẽ trong tương lai gần, những vật liệu như vậy có thể được sử dụng trong các sản phẩm điện tử và thậm chí cả phương tiện giao thông công cộng. Việc giảm đáng kể thời gian sạc pin có thể giúp cuộc sống của mọi người hiệu quả và thuận tiện hơn; Vật liệu pin an toàn và sạch cũng có thể giảm bớt gánh nặng cho môi trường. Hãy tin rằng công nghệ sẽ khiến ngày đó không còn xa nữa.