theo báo chí nước ngoài đưa tin, một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí “Nature Communications” cho thấy, một nhóm nghiên cứu từ Trung Quốc đã phát triển anode composite Mg@BP (magie@phốt pho đen) với thời gian sử dụng lâu dài, khả năng sạc nhanh và dung lượng cao, được sử dụng cho pin magie không dùng nước.
(Nguồn hình ảnh: nature.com)
Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống lưu trữ năng lượng và truyền tải điện, nhu cầu về “pin sau lithium-ion” đã tăng đáng kể, trong đó pin magie không dùng nước được chú ý nhờ các đặc tính vốn có của anode magie. Là vật liệu anode thay thế hiệu quả về kinh tế, magie có nguồn tài nguyên dồi dào trên Trái Đất, khả năng cung cấp dung lượng riêng và dung lượng thể tích hấp dẫn, cũng như thế năng khử thấp. Tuy nhiên, các vật liệu anode magie hiện có thường không tương hợp tốt với nhiều loại điện phân khác nhau. Hơn nữa, sự thay đổi thể tích rõ rệt và phản ứng phụ nghiêm trọng có thể dẫn đến sự sụp đổ của cấu trúc anode và cạn kiệt điện phân, những vấn đề này dẫn đến hiệu suất sử dụng magie thấp và giảm hiệu suất trong quá trình tuần hoàn dài hạn.
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu phát triển một vật liệu composite Mg@BP với phốt pho đen làm nền tảng, sử dụng nó làm anode cho pin magie không dùng nước, cụ thể là sử dụng các tấm nano phốt pho đen để tổng hợp anode composite. Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là tạo ra một anode composite magie có khả năng tương hợp tốt với điện phân, khả năng sạc nhanh, thời gian sử dụng lâu dài, hành vi lắng đọng đồng đều và khả năng tổng hợp trực tiếp.
Phương pháp chế tạo
Trong quá trình chế tạo anode composite Mg@BP, các nhà nghiên cứu đã phủ một lớp bột phốt pho đen lên điện cực đồng và làm khô ở 80℃ trong 24 giờ dưới chân không, từ đó tạo ra điện cực phốt pho đen. Tải trọng chất lượng phốt pho trên điện cực được ước lượng khoảng 0.5 mg cm−2.
Bằng cách điều chỉnh lượng bột phủ, họ có thể kiểm soát độ dày của lớp phốt pho đen. Thêm vào đó, bột đã được phủ trên màng poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) và được tách ra sau khi khô, tạo ra anode phốt pho đen độc lập (F-BP).
Trong một pin magie với mật độ diện tích và dòng điện được kiểm soát, magie được phủ lên điện cực phốt pho đen đã tổng hợp. Sau khi quá trình lắng đọng kết thúc, pin đối xứng được tháo rời để thu được anode composite Mg@BP.
Các anode composite magie được tổng hợp được đặt tên là Mg@F-BP và Mg@BP. Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng cùng một phương pháp để tổng hợp anode composite đối chứng. Magie được phủ lên các điện cực phổ biến (đồng, nhôm và sợi carbon) để tạo thành các anode composite magie tương ứng Mg@Al, Mg@C và Mg@Cu.
Các nhà nghiên cứu đồng thời chế tạo một anode tụy đồng (CuS) ở cấp độ micro-nano. Kết hợp giữa lý thuyết và phương pháp thực nghiệm, họ đã sử dụng các công nghệ tiên tiến như kính hiển vi điện tử truyền qua không tại chỗ (TEM), quang phổ tại chỗ, tính toán và mô phỏng lý thuyết để khám phá cơ chế chế tạo anode composite.
Kết quả nghiên cứu
Kết quả cho thấy, Mg²⁺ ban đầu một phần đã chèn vào cấu trúc tinh thể phốt pho đen, hình thành hợp chất MgₓP có tính chất kim loại và ổn định hóa học (chèn hạn chế/giai đoạn đầu). Sau đó, magie kim loại được lắng đọng điện hóa trên MgₓP/phốt pho đen đã hình thành từ trước, từ đó tổng hợp anode composite Mg@BP (lắng đọng điện ổn định/giai đoạn thứ hai). Việc chèn hạn chế này đã kích hoạt sự chuyển đổi từ phốt pho đen bán dẫn sang hợp chất kim loại, giúp anode composite Mg@BP có khả năng truyền tải điện nhanh và tính chất thân thiện với magie. Điều này thúc đẩy hành vi phát triển đồng đều và nucleation của magie, điều mà trước đó khó đạt được trên anode magie kim loại nguyên bản và các anode composite khác.
Trong cấu hình pin nút đối xứng, anode Mg@BP đã cho thấy khả năng chu kỳ ổn định trong 800 chu kỳ (1600 giờ), với hiệu suất coulomb đạt 99.98%, dung lượng tích lũy đạt 3200 mAh cm⁻². Việc lắp ráp và thử nghiệm pin nút Mg@BP || nano-CuS cho thấy, ở dòng điện tỷ lệ 560 mA g⁻¹, dung lượng xả đạt 398 mAh g⁻¹, điện thế xả trung bình của pin là 1.15 V, và tỷ lệ suy giảm trong quá trình 225 chu kỳ ở 25℃ là 0.016% cho mỗi chu kỳ.
Tổng thể, công trình nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng anode composite Mg@BP cho pin magie không dùng nước, đồng thời cho thấy tiến bộ tiềm năng trong công nghệ lưu trữ năng lượng.
