Các nhà khoa học phát hiện ra tiềm năng tạo nên pin Lithium mật độ siêu cao từ graphene

Các nỗ lực phát triển công nghệ pin thường xoay quanh việc cải thiện mật độ năng lượng, nghĩa là chúng ta muốn tạo ra một viên pin có thể chứa nhiều năng lượng trong một thể tích nhỏ, nhưng lại không gây bắt lửa hoặc phát nổ.

Trong khi đó, cho dù các viên pin hiện đại có thể xem như một phép màu đối với loại pin axit chì cổ đại, nhưng chúng vẫn có mật độ năng lượng trên khối lượng thấp hơn cả gỗ. Về cơ bản, chúng ta vẫn chưa thể đóng gói đủ số nguyên tử vào một thể tích nhỏ để cạnh tranh lại với các nhiên liệu hydrocarbon. Nhưng giờ đây với nguyên liệu graphene – cuộc chơi có thể đang thay đổi.

Kim loại vô hình

Cho dù có nhiều cách khác nhau để chế tạo pin Lithium-Ion, nhưng nó đều diễn ra theo cách thức như sau: lithium được lưu trữ dưới một dạng nào đó ở điện cực. Khi Lithium giải phóng ra một ion, nó sẽ đi tới một điện cực khác và phản ứng. Cùng lúc đó, các electron sẽ di chuyển ra bên ngoài hệ qua một điện cực khác, trao đổi điện năng và kết thúc tại một điện cực khác, nơi chúng hoàn tất phản ứng.

Quá trình sạc xả của pin Lithium-Ion thông thường.

Điều mấu chốt ở đây là Lithium thường được chứa trong một hợp chất Lithium Carbua mật độ thấp và nhẹ. Tìm được vật liệu khác có thể tăng mật độ Lithium cũng là một cách giúp gia tăng dung lượng pin.

Nhưng đây chính là vấn đề. Lithium là một nguyên tố rất nhẹ. Còn Carbon, một thành phần quan trọng khác của pin, cũng là một nguyên tố nhẹ. Nếu nhìn trên kính hiển vi điện tử, bạn sẽ thấy chúng gần như giống hệt nhau. Điều này làm việc giám sát các nguyên tử Lithium hình thành nên điện cực như thế nào trở nên khó khăn hơn và cũng như khó thấy được các biến thể về cấu trúc khi nó được lưu trữ (hoặc các cấu trúc này biến đổi như thế nào khi nó bị loại bỏ).

Tuy nhiên còn một thách thức khác nữa. Các kính hiển vi điện tử thường sử dụng các electron năng lượng cao để tạo hình ảnh. Năng lượng của các electron này có thể đủ để phá vỡ cấu trúc giữa các nguyên tử Carbon và Lithium đang quan sát. Nghĩa là vào thời điểm bạn tạo nên hình ảnh, bạn cũng phá hủy luôn cả cấu trúc mình muốn khảo sát.

Vì vậy, một nhóm các nhà khoa học đã nghiên cứu với một loại kính hiển vi điện tử truyền dẫn (transmission electron microscopy) được thiết kế để hoạt động bằng các electron năng lượng thấp. Kính hiển vi này vẫn có đủ độ phân giải để thấy từng nguyên tử riêng lẻ, vì vậy có thể xác định được cấu trúc phân tử.

Cấu tạo một kính hiển vi điện tử truyền dẫn.

Bằng cách khảo sát mức năng lượng các electron mất đi khi chúng đi qua vật mẫu, các nhà nghiên cứu có thể hình dung ra bên trong của vật mẫu này. Cuối cùng thời gian tạo nên hình ảnh cũng đủ dài (khoảng 1 giây) để các nhà nghiên cứu có thể quan sát việc hình thành và phân rã của các cấu trúc đang được viên pin sử dụng.

Miếng sandwich kẹp Lithium

Do kính hiển vi điện tử truyền dẫn này cần các electron từ kính hiển vi phải xuyên qua vật mẫu, nên lớp Carbon Lithium cần phải rất mỏng. Các nhà nghiên cứu sử dụng một dải graphene gồm hai lớp (graphene là một lớp đơn các nguyên tử carbon được sắp xếp theo mô hình tổ ong). Một điện cực nhỏ chứa các ion Lithium được đặt ở một phía của dải graphene.

Một loạt các điện cực như vậy sẽ được đặt dọc dải graphene để đo lường và thiết lập điện thế. Điện thế này được sử dụng để đưa các ion Lithium vào dải graphene và cho phép nó dịch chuyển qua lại. Khi các ion Lithium được tích lũy đủ trên dải graphene, điện trở sẽ sụt giảm, cho phép hình thành nên một điện cực thứ hai – dấu hiệu cho sự xuất hiện Lithium.

Các ion Lithium dịch chuyển giữa hai lớp graphene.

Không khó để thấy các nhà nghiên cứu đã ngạc nhiên như thế nào. Họ nhận ra các ion Lithium dịch chuyển rất nhanh trong khoảng trống giữa hai dải graphene. Khối lượng Lithium cũng cao một cách đáng ngạc nhiên.

Bằng cách giám sát cấu trúc và thành phần nguyên tố, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng Lithium không tạo thành hợp chất Carbua Lithium. Thay vào đó, nó tạo thành nhiều lớp tinh thể Lithium với chỉ một lớp ngoài cùng liên kết với Carbon. Nhưng Lithium kim loại không tồn tại ở dạng thường. Thay vào đó, Lithium hình thành nên trạng thái mật độ cao, vốn thường xuất hiện ở nhiệt độ thấp hoặc áp suất rất cao.

Vẫn quá sớm để lạc quan

Cho dù điều này rất thú vị nhưng nó thực sự vẫn chưa cho thấy sự hữu ích. Đầu tiên, Lithium mật độ cao chỉ hình thành giữa hai tấm graphene gần như hoàn hảo, không phải loại graphene bạn có thể mua từ các nhà sản xuất. Quả thật, ở gần những cạnh không hoàn hảo của dải graphene, năng lượng từ các electron của kính hiển vị điện tử cũng đủ để làm sôi kim loại Lithium.

Ngay cả khi chúng ta có đủ lượng graphene chất lượng cao, cũng không chắc lượng Lithium sẽ khuếch tán đủ sâu vào graphene để cho một chu kỳ sạc điện. Không khó để hình dung ra rằng, những ion Lithium đầu tiên có thể kết thành một khối để ngăn các ion Lithium còn lại rời khỏi "miếng sandwich" trên.

Cũng không chắc rằng dải graphene sẽ tồn tại đủ lâu trong quá trình này. Đây cũng là một trong những vấn đề chính với pin có liên quan đến các kim loại Lithium: các điện cực sẽ tự phá hủy sau một số chu kỳ nào đó. Chúng ta vẫn chưa biết liệu graphene có tồn tại lâu hơn các điện cực hiện tại hay không.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu vẫn chưa trình diễn công nghệ pin mới này. Thay vào đó, nó là một ví dụ tuyệt vời cho thấy, việc thực hiện các thí nghiệm cần thiết có thể dẫn tới các khám phá thú vị như thế nào. Và nếu chúng ta may mắn, cuối cùng điều đó có thể giúp chúng ta tạo ra những loại pin tốt hơn.

Tham khảo Arstechnica