Những điều quan trọng cần biết:
- AIB tiến bộ Công nghệ: Pin amoni ion (AIB) cung cấp giải pháp thay thế an toàn hơn, thân thiện với môi trường hơn cho pin truyền thống, sử dụng amoni axetat (NH4Ac) giúp ngăn chặn sự phát triển của đuôi gai và nâng cao tuổi thọ pin.
- Vật liệu Anode cải tiến: Những phát triển gần đây về vật liệu anode như MXenes, được khám phá thông qua tính toán DFT, cho thấy hiệu suất điện áp thấp đầy hứa hẹn và mật độ năng lượng cao.
- Hành vi giả điện dung: Cực dương MXene trong AIB thể hiện hành vi giả điện dung độc đáo với NH4Ac, đạt được công suất cao và độ ổn định trong 5000 chu kỳ, một tiến bộ đáng kể so với các vật liệu khác.
- Những cải tiến dựa trên nghiên cứu: Các nghiên cứu như của Sun et al. khẳng định lợi ích của việc sử dụng amoni axetat, nâng cao tính an toàn và hiệu quả tổng thể của AIB.
nhiều kiến trúc pin hiện tồn tại khi các kỹ sư và nhà khoa học cố gắng chuyển hướng từ Pin Li-ion để thử và mang lại những hệ thống pin mới có mật độ năng lượng cao, có thể sạc nhanh hơn hoặc thân thiện với môi trường hơn. Trong những năm gần đây, nhiều cấu trúc pin mới đã được thương mại hóa sau nhiều năm phát triển về mặt học thuật và các loại pin mới khác đang bắt đầu chiếm chỗ trong thế giới học thuật.
Một trong những loại pin này là pin amoni ion (AIB), sử dụng chất điện phân nước nên an toàn hơn và ít bị thoát nhiệt hơn. AIB có chi phí thấp, độ ổn định vốn có, đặc tính điện hóa tốt và thân thiện với môi trường. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu pin mới hơn so với một số hệ thống đã có từ lâu và mặc dù có tiềm năng tạo ra nhiều loại pin thân thiện với môi trường hơn nhưng AIB vẫn bị cản trở bởi những thách thức trong thiết kế cực dương.
Tiềm năng của pin amoni
AIB là những cục pin có thể tự nạp lại sử dụng ion amoni (NH4+) làm chất mang điện. So với các ion kim loại truyền thống— Li+, Na+, K+, Zn2+ và Mg2+—các ion amoni có đặc tính khuếch tán nhanh trong chất điện phân nước (gốc nước) do có bán kính ion nhỏ hơn và khối lượng mol nhẹ hơn. Các ion amoni cũng không trải qua quá trình phát triển đuôi gai—thường là nguyên nhân gây đoản mạch pin—không giống như nhiều ion khác. pin ion kim loại, do đó có khả năng tạo ra loại pin an toàn hơn và xuống cấp chậm hơn. Chất điện phân ion amoni cũng thân thiện với môi trường hơn so với dung môi hữu cơ được sử dụng trong pin ion kim loại và cũng rẻ hơn nhiều. Một trong những chất điện giải phổ biến nhất là amoni axetat (NH4Ac).
Để nhấn mạnh hơn nữa lợi ích môi trường và an toàn vận hành của AIB, các nghiên cứu gần đây, chẳng hạn như nghiên cứu của Sun và cộng sự, nhấn mạnh vai trò của chất điện phân amoni axetat (NH4Ac) trong việc tăng cường độ ổn định và công suất của các loại pin này. Không giống như các chất điện phân truyền thống, NH4Ac giúp ngăn ngừa sự hình thành đuôi gai, thường là mối nguy hiểm lớn về an toàn khi vận hành pin. Đặc điểm này không chỉ cải thiện độ an toàn mà còn kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin, khiến AIB trở thành một lựa chọn bền vững hơn về lâu dài.
Tất cả những đặc điểm này cho thấy AIB có rất nhiều tiềm năng, đặc biệt khi những đặc điểm này thường được coi là lợi thế so với pin ion kim loại—vốn đã trở thành tiêu chuẩn thương mại ngày nay. Rất nhiều công việc đã được thực hiện để thiết kế cực âm của AIB và hiện có thể đạt được công suất riêng cao. Ví dụ về cực âm bao gồm các vật liệu dựa trên niken, mangan và vanadi. Tuy nhiên, thiết kế cực dương không có nhiều nỗ lực và sự tương tác giữa cực dương và chất điện phân là một lĩnh vực vẫn cần được phát triển hơn nữa.
Sự phát triển của vật liệu Anode mới
Cực dương hiện là yếu tố hạn chế đối với AIB vì cho đến nay không có nhiều vật liệu làm cực dương có điện áp làm việc thấp. Sự phát triển của cực dương AIB chủ yếu chỉ giới hạn ở oxit/sulfua kim loại chuyển tiếp và polyme hữu cơ. Đây không phải là vật liệu lý tưởng vì các hợp chất kim loại chuyển tiếp có xu hướng có điện dung kém và cực dương polyme có tốc độ hòa tan cao, dẫn đến độ ổn định chu trình kém. Điều này khiến nhiều AIB được phát triển cho đến nay không khả thi cho các ứng dụng thực tế.
Bất chấp những thách thức về vật chất, các vật liệu mới vẫn tiếp tục được cung cấp và thử nghiệm. Một loại vật liệu được coi là giải pháp tiềm năng là MXen. MXene là vật liệu 2D được tạo ra từ vật liệu pha MAX, có công thức chung là Mn+1AXn. Trong cấu trúc hóa học này, M là kim loại chuyển tiếp sớm, A là nguyên tố nhóm 13 hoặc 14 và X là cacbon hoặc nitơ.
MXene có nhiều đặc tính có lợi cho điện cực. Ví dụ, chúng có độ dẫn điện tuyệt vời và hoạt động bề mặt cao, đồng thời cách các lớp xếp chồng lên nhau rất phù hợp cho việc lưu trữ ion, đặc biệt là so với các loại vật liệu nano khác. Vì vậy, MXene được coi là một lợi ích tiềm năng cho AIB và rất nhiều công việc lý thuyết hiện đang được thực hiện để xem liệu chúng có đáng để khám phá thêm bằng thực nghiệm hay không.
Tiềm năng của MXene làm vật liệu cực dương hiệu quả trong Pin ion amoni được hỗ trợ bằng các tính toán chi tiết về Lý thuyết chức năng mật độ (DFT). Như được minh họa trong Hình 1 bên dưới, những tính toán này cho thấy khả năng hoạt động thấp và đặc tính giả điện dung cao của vật liệu MXene, cụ thể là V2CTx, cho thấy chúng phù hợp với các ứng dụng hiệu suất cao trong công nghệ pin.
a Phối cảnh bên của mô hình cấu trúc của V2CTx MXene được mô tả. Các quả cầu có màu xám, đen và cam tương ứng là các điểm cuối V, C và T. b c Các đường cong thế tĩnh điện trung bình trên mặt phẳng của V2CO2 và V2CF2 được hiển thị tương ứng. d Minh họa đường cong thế tĩnh điện trung bình trên mặt phẳng cho 1T-MoS2. e Mối tương quan giữa chức năng công việc và cửa sổ tiềm năng hoạt động của vật liệu hai chiều được nghiên cứu trong nghiên cứu này được chứng minh.
Để chứng thực tính phù hợp của MXenes cho các ứng dụng AIB, nghiên cứu được nêu trong Nature Communications bởi Sun và cộng sự. thảo luận về đặc tính giả điện dung của V2CTx MXenes khi sử dụng với chất điện phân NH4Ac. Những vật liệu này không chỉ hứa hẹn tiềm năng hoạt động thấp hơn mà còn thể hiện sự ổn định và mật độ năng lượng được nâng cao, rất quan trọng đối với pin hiệu suất cao. Hoạt động bề mặt cao vốn có của MXene giúp nâng cao hiệu quả của chúng, thúc đẩy đáng kể việc chế tạo cực dương trong các công nghệ pin bền vững.
Tính toán DFT đề xuất chất điện phân nước tốt nhất cho cực dương MXene
Lý thuyết hàm mật độ (DFT) là một kỹ thuật được thiết lập tốt trong lĩnh vực lý thuyết và hóa học tính toán và thường được sử dụng để mô hình hóa và thăm dò các đặc tính của các hệ vật liệu khác nhau để xem liệu chúng có khả thi cho một ứng dụng cụ thể hay không (cũng như suy ra cấu trúc của chúng). Các tính toán của DFT đã chỉ ra rằng MXene, V2CTx, có cửa sổ tiềm năng hoạt động thấp nhất so với các vật liệu dựa trên vanadi khác, vì vậy nó có tiềm năng trở thành vật liệu cực dương đầy hứa hẹn cho AIB.
Các nhà nghiên cứu hiện đã xem xét kỹ hơn về cực dương MXene này bằng cách sử dụng kết hợp các tính toán DFT và phương pháp mô tả đặc tính vật liệu để xem nó tương tác với chất điện phân nước như thế nào và điều tra xem hiệu suất của các cực dương này sẽ như thế nào. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cực dương MXene này thể hiện hoạt động giả điện dung để lưu trữ ion amoni, với dung lượng riêng là 115.9 mAh/g ở tốc độ 1 A g-1 và khả năng duy trì công suất 1% sau 100 chu kỳ ở 5000 A g-5.
Mặc dù có nhiều chất điện phân chứa nước đang được thử nghiệm với cực dương MXene—bao gồm (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4 và NH4Me—chất điện phân duy nhất mà cực dương MXene thể hiện hành vi giả điện dung này là với chất điện phân amoni amoni axetat NH4Ac. Hiệu suất hoạt động giả điện dung được thể hiện giữa cực dương MXene và chất điện phân NH4Ac vượt qua tất cả các điện cực loại điện dung trong AIB cho đến nay.
Để thăm dò các đặc tính của cực dương và sự tương tác của nó với chất điện phân, tại chỗ Các phép đo vi cân bằng tinh thể thạch anh điện hóa (EQCM) đã được thực hiện cho thấy quy trình điện hóa hai bước tạo ra trạng thái lưu trữ giả điện dung trong chất điện phân amoni axetat.
Các kết quả thí nghiệm được theo dõi bằng các tính toán và mô phỏng DFT để hiểu rõ hơn về quá trình điện hóa này. Phần đầu tiên của quy trình liên quan đến quá trình hấp phụ/lắng đọng tĩnh điện của NH4+ trên bề mặt MXene. Ở bước thứ hai của quy trình, phản ứng oxi hóa khử diễn ra giữa nhóm d-V2CTx của cực dương và nhóm [NH4+(HAc)3] của chất điện phân. Trong quá trình oxy hóa khử này, ion NH4+ trung tâm hoạt động như một proton giả, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xen kẽ các đầu cuối V2CTx. Sau đó, điều này làm thay đổi trạng thái hóa trị của các ion vanadi trong phức chất, thúc đẩy quá trình truyền điện tích.
Việc sử dụng cải tiến ammonium acetate trong AIB dựa trên MXene không chỉ cải thiện độ ổn định điện hóa mà còn tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng như Sun et al. Bước đột phá này là nhờ sự tương tác độc đáo giữa các ion NH4+ và chất điện phân, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển ion hiệu quả và ổn định chu trình mạnh mẽ, đặt nền móng cho các giải pháp lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo.
Các nhà nghiên cứu cũng xác nhận tác dụng tăng cường ion axetat trong pin amoni-ion dựa trên MoS2 (một vật liệu 2D khác thuộc họ dichalcogenide kim loại chuyển tiếp). Khả năng sử dụng với các vật liệu khác nhau có nghĩa là chất điện phân axetat có thể được sử dụng cùng với các vật liệu 2D khác nhau để cải thiện công suất của AIB. Cách tiếp cận này cũng có khả năng phá vỡ các giới hạn công suất ở cả Faradaic (oxy hóa khử) và không Faradaic (chỉ tương tác tĩnh điện) và có thể đưa ra cách cải thiện các AIB khác nhau và dẫn đến việc tạo ra các loại pin bền vững hơn.
Tác động môi trường và cân nhắc về an toàn của pin ion amoni
Việc chuyển sang Pin Amoni Ion (AIB) không chỉ là một cải tiến kỹ thuật so với các hệ thống pin truyền thống mà còn là một bước tiến đáng kể trong việc bảo tồn môi trường. AIB sử dụng các vật liệu ít nguy hiểm hơn và liên quan đến các phản ứng hóa học an toàn hơn, giúp giảm nguy cơ tai nạn và giảm ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu như của Sun et al. TRONG Nature Communications đã chỉ ra rằng việc sử dụng các chất điện phân an toàn hơn như amoni axetat giúp giảm thiểu đáng kể các rủi ro như thoát nhiệt và lọc hóa chất, khiến AIB trở thành lựa chọn ưu tiên để lưu trữ năng lượng bền vững.
Tham khảo:
Sun Z. và cộng sự, Chất điện phân axetat để tăng cường khả năng giả tụ điện trong pin ion amoni nước, Nature Communications, 15, (2024), 1934.