Chế tạo pin lithium hoạt động ở mức nhiệt thấp kỷ lục -70 độ C

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Joule, có thể giúp các kỹ sư phát triển công nghệ phù hợp để thích ứng với nhiệt độ môi trường ngoài không gian và những vùng lạnh giá nhất Trái đất.

Dù pin lithium ion có thể hoạt động trong điều thời tiết tương đối lạnh, nhưng chúng có những hạn chế nhất định. Hầu hết pin này chỉ hoạt động 50% công suất tối ưu khi nhiệt độ ở mức -20^oC và khi xuống đến -40^oC, pin chỉ đảm bảo khoảng 12% công suất hoạt động so với nhiệt độ phòng. Đây là hạn chế lớn của pin khi pin hoạt động trong môi trường không gian nơi nhiệt độ có thể giảm xuống -157^oC hoặc thậm chí nhiều nơi ở Canada và Nga, nhiệt độ nhiều lúc xuống dưới -50^oC.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một thiết kế pin mới có thể hoạt động thậm chí khi các pin khác đã bị hỏng. TS. Yong-yao Xia, nhà nghiên cứu pin tại Khoa Hóa học thuộc trường Đại học Fudan ở Trung Quốc và là đồng tác giả nghiên cứu nói: “Mọi người đều biết rằng cả chất điện phân (môi trường hóa học chứa các ion di chuyển giữa hai điện cực) và các điện cực (cực âm và cực dương) gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin”.

Các nhà khoa học đã thử nghiệm sử dụng chất điện phân làm từ ester (ethyl axetat), có điểm đóng băng thấp, cho phép thực hiện sạc thậm chí ở nhiệt độ cực thấp. Đối với các điện cực, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hai hợp chất hữu cơ gồm cực âm làm từ polytriphenylamine (PTPAn) và cực dương polyimide được chế từ naphthalenetetracarboxylic dianhydride -1,4,5,8 (PNTCDA). Khác với các điện cực được dùng trong pin lithium ion, các hợp chất hữu cơ này không phụ thuộc vào quy trình kết hợp liên tục các ion vào trong chất nền phân tử, làm cho pin hoạt động chậm lại khi nhiệt độ giảm. Theo TS. Xia, nhờ có điện cực làm từ ethyl axetat và điện cực polymer hữu cơ, pin sạc có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp cỡ -70^oC.

Nhóm nghiên cứu tin rằng đây có thể là giải pháp thay thế hiệu quả hơn cho những nỗ lực khác nhằm tăng cường chức năng của pin lithium ion trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Các nhà nghiên cứu khác cũng đang nỗ lực giải quyết vấn đề thông qua phát triển các chất phụ gia cho pin nhiệt hoặc sử dụng chất điện phân khí hóa lỏng, nhưng các giải pháp này cần bổ sung vật liệu làm tăng trọng lượng pin.

TS. Xia cho biết: “So với các điện cực chứa kim loại chuyển tiếp trong pin lithium ion thường, các vật liệu hữu cơ trong pin mới dồi dào, giá rẻ và thân thiện với môi trường”. Giá thành của vật liệu điện cực theo ước tính chỉ bằng khoảng 1/3 giá của điện cực trong pin lithium ion thường.

Tuy nhiên, loại pin mới vẫn cần được cải tiến trước khi được thương mại trên thị trường. TS. Xia tin rằng năng lượng riêng của pin vẫn thấp so với pin lithium ion thương mại và quy trình lắp ráp cần được tối ưu. Dù vậy, pin có triển vọng cho nhiều ứng dụng.

N.T.T-NASATI (Theo Techxplore )