VINACHEM

Hiện nay, ắc quy Liti là một trong những phương án tốt nhất để lưu trữ điện năng trong các không gian nhỏ. ở những ắc quy này, anôt và catôt thường được chế tạo từ những hợp chất kim loại nặng đắt tiền và độc hại.

Một phương án thay thế cho ắc quy liti là ắc quy Liti - lưu huỳnh. Trong trường hợp này, catôt không được chế tạo từ kim loại nặng mà thay vào đó là lưu huỳnh - nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền hơn nhiều.

Nhưng ở ắc quy liti - lưu huỳnh, khi ion Liti di chuyển đến catôt trong chu kỳ phóng điện, phản ứng diễn ra ở đây sẽ tạo thành liti sunphua (Li₂S) qua nhiều hợp chất trung gian là các liti polysunphua. Trong quá trình hoạt động, sự hòa tan của các liti polysunphua sẽ khiến cho công suất ắc quy giảm dần sau một số chu kỳ nạp điện dưới tác động của cái gọi là “hiệu ứng con thoi”.

Vì nhược điểm đó của ắc quy Liti - lưu huỳnh, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang tìm cách cải thiện vật liệu catôt sao cho có thể bọc giữ các polysunphua về mặt hóa học hoặc vật lý.

Một trong những vật liệu catôt có thể bọc giữ lưu huỳnh và thường được sử dụng từ trước đến nay là các hạt nano TiO₂.

Hạt nano Ti₄O₇ với cấu trúc xốp

Một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu Helmholtz Berlin (CHLB Đức) đã chế tạo một loại vật liệu catôt cho ắc quy liti - lưu huỳnh, với hiệu quả hoạt động cao hơn các hạt TiO₂ ở đây, các hạt nano cũng bao bọc lưu huỳnh, nhưng thành phần của chúng là các phân tử Ti₄O₇ được sắp xếp trên bề mặt xốp hình cầu. Những hạt nano xốp này liên kết polysunphua mạnh hơn nhiều so với các hạt nano TiO₂ thông thường.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình sản xuất đặc biệt để tạo ra cấu trúc xốp liên kết 3 chiều phức tạp này. Trước tiên, họ chế tạo một khuôn làm từ các quả cầu polyme cực nhỏ với bề mặt xốp. Khuôn này được xử lý trong các bước tiếp theo, sau đó được nhúng trong dung dịch titan isopropoxit. Khi đó, một lớp Ti₄O₇ sẽ được hình thành trên các quả cầu xốp. Lớp này được giữ lại sau khi quá trình xử lý nhiệt tiếp theo phân hủy polyme nằm ở phía dưới. So với các vật liệu catôt khác làm từ TiO₂, vật liệu nền làm từ các quả cầu nano Ti₄O₇ có diện tích bề mặt đặc biệt lớn: 12 g vật liệu đủ để che phủ cả một sân bóng đá.

Các phép đo bằng quang phổ tia X tại Trung tâm Helmholtz cho thấy, các hợp chất lưu huỳnh đã liên kết mạnh với bề mặt của vật liệu nền nano.

Vật liệu mới cũng có điện dung riêng cao (1219 mAh/g) ở 0,1C (1C = 1675 mA/g). Điện dung riêng này giảm rất ít (0,094% /chu kỳ) trong các chu kỳ nạp-phóng điện lặp đi lặp lại. Trong khi đó, điện dung riêng của vật liệu catôt làm từ các hạt nano TiO₂ là 683 mAh/g. Hơn nữa, độ dẫn điện của vật liệu mới có thể được tăng lên bằng cách bọc một lớp cacbon bổ sung lên các hạt nano. Sau quá trình này, cấu trúc của vật liệu với tính chất xốp cao vẫn được giữ nguyên không thay đổi.

Các nhà nghiên cứu đang có kế hoạch chế tạo vật liệu mới nói trên ở dạng màng mỏng để có thể đưa ra sản xuất thương mại trên quy mô lớn.

HS

Theo ScienceDaily, 5/2017