Pin natri-ion 12.03.2015

Các nhà hóa học đã tạo ra một loại pin natri-ion hoạt động giống như pin lithium-ion mà chúng ta vẫn quen sử dụng.

Cách đây vài năm, người ta cho rằng đã đến lúc nhân loại phải nghĩ về sự thiếu hụt sắp xảy ra, nhưng không phải về dầu và khí đốt, thứ mà chúng ta thường lo sợ, mà là về sự thiếu hụt kim loại kiềm - liti. Trong cuộc sống của chúng ta ngày càng có nhiều thiết bị điện tử và các loại đồ dùng. Và tất cả chúng, từ điện thoại di động đến ô tô điện, đều sử dụng năng lượng điện được lưu trữ trong pin. Hầu hết trong số này là pin lithium-ion. Ngày nay nó là loại pin sạc phổ biến nhất. Và mặc dù chúng ta khó có thể chứng kiến ​​các cuộc chiến tranh giành tiền gửi lithium trong tương lai gần, nhưng chi phí của nó có thể tăng lên. Và điều này có nghĩa là đã đến lúc nghĩ về những loại pin rẻ hơn sẽ sử dụng các tế bào khác. Các nhà phát triển đang đặt cược vào họ hàng gần nhất của lithium trong hệ thống tuần hoàn - natri, như một kim loại phổ biến và rẻ tiền hơn nhiều.

Tại sao bạn không thể lấy và thay thế lithium trong pin bằng natri? Đó là tất cả về kích thước nguyên tử. Mặc dù liti và natri rất giống nhau về tính chất hóa học của chúng, nhưng nguyên tử natri lớn hơn đáng kể so với nguyên tử liti. Và hóa ra nó rất quan trọng đối với hoạt động của pin. Pin lithium có hai điện cực, một điện cực làm bằng carbon hoặc than chì và một điện cực làm bằng oxit kim loại như coban. Các ion lithium đóng vai trò như một chất mang điện tích giữa các điện cực, đó là lý do tại sao trên thực tế, chúng được gọi là pin lithium-ion. Trong quá trình sạc lại, các ion liti được giải phóng khỏi điện cực oxit kim loại và di chuyển đến điện cực thứ hai, được làm bằng cacbon.

Kích thước của các nguyên tử lithium là như vậy mà chúng có thể dễ dàng được tích hợp vào cấu trúc của điện cực. Quá trình này được gọi là sự xen phủ, trong đó các ion kim loại "chen chúc" giữa các lớp nguyên tử của than chì. Trong quá trình phóng điện, quá trình ngược lại xảy ra - các ion liti rời khỏi điện cực graphit và quay trở lại điện cực thứ hai.

Điểm mấu chốt của quá trình điện hóa này chỉ là sự kết hợp các ion vào điện cực. Nó vượt qua càng nhanh và dễ dàng, thì công suất tức thời có thể lớn hơn. Nếu quá trình này diễn ra chậm, pin sẽ không thể cung cấp dòng điện cần thiết để vận hành thiết bị. Đây chính là khó khăn trong việc phát triển pin natri-ion. Điện cực cacbon không thích hợp vì các ion natri, do kích thước của chúng, rất miễn cưỡng để tích hợp vào cấu trúc graphit.

Đó là lý do tại sao các nhà điện hóa đang tìm kiếm vật liệu điện cực phù hợp với các thiết bị điện tử thông thường. Rốt cuộc, có thể tạo ra một loại pin dựa trên ion natri, và nó sẽ hoạt động, điểm chung là nó sẽ không nhỏ, dung lượng và mạnh mẽ như lithium. Nhưng chính sức mạnh và kích thước mới là những thông số quan trọng nhất đối với thiết bị di động.

Một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Yong Lei từ Đại học Kỹ thuật Ilmenau ở Đức đứng đầu đã đưa ra một loại vật liệu có thể được sử dụng để chế tạo điện cực trong pin natri-ion, do đó nó sẽ không thua kém lithium về mặt năng lượng. và công suất.

Đầu tiên, các nhà hóa học phân tích các đặc tính của vật liệu điện cực để đảm bảo việc đưa các ion natri vào một cách hiệu quả. Sự lựa chọn rơi vào các hợp chất thơm liên hợp của lớp trans-stilbene. Chúng có khả năng truyền điện tích, ổn định khi sạc và xả pin, và tạo thành các lớp giữa các phân tử để natri có thể dễ dàng được đưa vào.

Các nhà hóa học đã thử nghiệm xem một điện cực làm bằng vật liệu như vậy sẽ hoạt động tốt như thế nào và kết quả là ở mật độ dòng điện trung bình 1 A / g, dung lượng sẽ là 160 mAh / g, không thua kém gì so với pin lithium-ion. Pin cũng hoạt động tốt trong bài kiểm tra độ bền, vẫn giữ được 70% dung lượng sau 400 chu kỳ sạc-xả. Và mặc dù việc triển khai thương mại của dự án vẫn còn rất xa, nhưng kết quả đạt được cho thấy pin natri-ion có quyền tồn tại và về nguyên tắc có thể thay thế pin Li-ion vốn đã quen thuộc.