Pin lithium-ion phổ biến trong thế giới xe điện. Tuy nhiên, một thách thức đáng kể gặp phải khi sử dụng chúng là thời lượng pin thấp và khả năng sạc chậm.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy vật liệu nano hai chiều (2D) là một ứng cử viên sáng giá để nâng cao hiệu suất của chúng.
>> Tham khảo: Đột phá mới trong truyền dẫn thông tin quang học.
Gần đây, một nhóm nghiên cứu hợp tác từ Nhật Bản và Ấn Độ đã chứng minh tính hiệu quả của việc sử dụng các tấm nano titan diborua 2D trong pin lithium-ion.
Phát hiện của họ có thể có những hậu quả sâu rộng trong lĩnh vực xe điện và các thiết bị điện tử khác.
Khi ngành công nghiệp xe điện (EV) đang phát triển, thì những nỗ lực nghiên cứu và phát triển pin lithium (Li)-ion ưu việt để cung cấp năng lượng cho các loại xe này cũng tăng theo.
Khám phá và mở rộng công nghệ sạc-xả nhanh cũng như kéo dài thời lượng pin là những thách thức quan trọng trong quá trình phát triển của chúng.
>> Tham khảo: Phương pháp mới cực nhanh để sản xuất các thiết bị nhiệt điện hiệu suất cao.
Một số yếu tố, chẳng hạn như sự khuếch tán của các ion Li, đặc điểm của giao diện điện cực-chất điện phân và độ xốp của điện cực, có thể giúp khắc phục những vấn đề này để đạt được khả năng sạc cực nhanh và tuổi thọ siêu dài.
Trong những năm gần đây, vật liệu nano hai chiều (2D), là cấu trúc dạng tấm mỏng với độ dày vài nanomet, đã nổi lên như vật liệu cực dương tiềm năng cho pin Li-ion.
Những tấm nano này có tỷ lệ khung hình cao và mật độ cao của các vị trí hoạt động, cho phép sạc nhanh và hiệu suất đạp xe vượt trội. Đặc biệt, vật liệu nano 2D dựa trên diborua kim loại chuyển tiếp (hoặc TMD) đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.
Các TMD đã được phát hiện là có tốc độ cao và độ ổn định theo chu kỳ dài đối với việc lưu trữ ion Li, nhờ vào các mặt phẳng tổ ong của boron và các nguyên tử kim loại chuyển tiếp đa hóa trị.
Gần đây, một nhóm các nhà khoa học do Giáo sư Noriyoshi Matsumi từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) và Giáo sư Kabeer Jasuja từ Viện Công nghệ Ấn Độ (IIT) Gandhinagar dẫn đầu đã bắt đầu khám phá thêm tiềm năng của TMD đối với năng lượng.
>> Tham khảo: Khói nấu ăn độc hại gây ra các biến chứng đe dọa tính mạng ở phụ nữ mang thai bị huyết áp cao.
Nhóm đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm đầu tiên về tiềm năng lưu trữ của các tấm nano phân cấp dựa trên titan diborua (TiB2) (THNS) làm vật liệu cực dương cho pin Li-ion.
Nhóm bao gồm Rajashekar Badam, cựu Giảng viên cao cấp tại JAIST; Akash Varma, cựu M.S. Học viên khóa học tại JAIST; Koichi Higashimine, Chuyên gia kỹ thuật tại JAIST và Asha Liza James, Ph.D. Từng học tại IIT Gandhinagar Nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Vật liệu nano ứng dụng ACS và được cung cấp trực tuyến vào ngày 19 tháng 9 năm 2022.
THNS được phát triển bằng cách oxy hóa bột TiB2 bằng hydro peroxide, sau đó ly tâm và làm đông khô dung dịch. “Điều làm cho nghiên cứu của chúng tôi nổi bật là khả năng mở rộng của phương pháp được phát triển để tổng hợp các tấm nano TiB2 này.
Đối với bất kỳ vật liệu nano nào để chuyển thành công nghệ hữu hình, khả năng mở rộng là yếu tố hạn chế. Phương pháp tổng hợp của chúng tôi chỉ yêu cầu khuấy và không cần thiết bị tinh vi.
Đây là trên giải thích về hành vi hòa tan và tái kết tinh thể hiện bởi TiB2, một khám phá tình cờ khiến công trình này trở thành cầu nối đầy hứa hẹn từ phòng thí nghiệm đến hiện trường,” Giáo sư Kabeer giải thích.
Sau đó, nhóm đã chế tạo nửa tế bào Li-ion anốt bằng cách sử dụng THNS làm vật liệu cực dương hoạt động. Nhóm đã nghiên cứu các đặc tính lưu trữ điện tích của các cực dương dựa trên THNS.
>> Tham khảo: Sinh học tổng hợp tạo ra chất kết dính dưới nước dễ sử dụng.
Nhóm phát hiện ra rằng cực dương dựa trên THNS có khả năng phóng điện cao 380 mAh/g với mật độ dòng điện chỉ 0,025 A/g. Hơn nữa, họ thấy rằng có thể đạt được công suất xả 174 mAh/g với mật độ dòng điện cao 1 A/g, với thời gian sạc là 10 phút và khả năng duy trì dung lượng là 89,7% sau 1.000 chu kỳ.
Ngoài ra, cực dương Li-ion dựa trên THNS có thể duy trì tốc độ dòng điện rất cao, theo thứ tự từ 15 đến 20 A/g, giúp sạc cực nhanh trong khoảng 9 đến 14 giây. Theo tỷ lệ hiện tại cao, với khả năng duy trì công suất lớn hơn 80% đã được quan sát sau 10.000 chu kỳ.
Kết quả của nghiên cứu này cho thấy sự phù hợp của các tấm nano 2D TiB2 như một ứng cử viên cho pin Li-ion có tuổi thọ cao và sạc nhanh. Họ cũng nêu bật lợi thế của các vật liệu khối có kích thước nano, như TiB2, để đạt được các đặc tính đầy hứa hẹn, bao gồm lưu trữ điện tích giả điện dung, khả năng tốc độ cao tuyệt vời và khả năng chu kỳ vượt trội.
Giải thích về tác động lâu dài tiềm năng của nghiên cứu của họ, Giáo sư Matsumi nói: “Công nghệ sạc nhanh như vậy có thể đẩy nhanh quá trình khuếch tán EV và giảm đáng kể thời gian chờ đợi để sạc các thiết bị điện tử di động khác nhau.
Chúng tôi hy vọng phát hiện của chúng tôi có thể kích thích nhiều nghiên cứu hơn về vấn đề này cuối cùng có thể dẫn đến sự tiện lợi cho người dùng EV, ít ô nhiễm không khí hơn ở các thành phố và cuộc sống di động ít căng thẳng hơn nhằm nâng cao năng suất của xã hội chúng ta.”
Hy vọng rằng chúng ta sẽ sớm thấy công nghệ đáng chú ý này được sử dụng trong xe điện và các thiết bị điện tử khác.
