Pin lithium-lưu huỳnh (Li-S) được coi là thiết bị quan trọng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động, nhưng vẫn còn một số thách thức hạn chế ứng dụng của chúng, chẳng hạn như làm thế nào thu được cực âm để hấp thụ sunfua cao và chuyển đổi nhanh chóng.

Để thúc đẩy nhiều nghiên cứu hơn về pin Li-S hiệu suất cao, các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã cung cấp vật liệu composite Ni@HsGDY /MoS2/Ni3S2 mới để giảm bớt hiệu ứng con thoi, giãn nở thể tích và các vấn đề khác trong pin lithium-lưu huỳnh. Công trình nghiên cứu của họ đã được xuất bản trên tạp chí Energy Material Advances.

Fushen Lu, giáo sư tại Phân viện hóa học và kỹ thuật hóa học thuộc Đại học Shantou cho biết: “Sự phgats triển bùng nổ của xe điện đòi hỏi cần có các công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ mới tiếp theo với mật độ năng lượng cao, chi phí thấp và tuổi thọ cao”. "Pin lithium-lưu huỳnh được xác định là hệ thống lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn vì mật độ năng lượng cực cao và dung lượng lớn. Tuy nhiên, chúng bị hạn chế bởi tính dẫn điện kém của lưu huỳnh, sự thay đổi thể tích của cực âm và hiệu ứng shuttle".

Lu giải thích rằng quá trình chuyển đổi polysulfide (Li₂Sn, 4 ≤ n 8) là một quá trình biến đổi nhiều pha phức tạp trong giai đoạn tích điện-phóng điện. Các polysulfua lithium hòa tan (LiPS) khuếch tán qua thiết bị phân tách xốp đến điện cực âm và phản ứng với kim loại Li để tạo thành Li không hòa tan, gây ra "hiệu ứng shuttle" và dẫn đến khả năng phóng điện và hiệu suất xe suy giảm. Đây là một trong những khiếm khuyết chính cản trở nghiêm trọng việc ứng dụng thương mại quy mô lớn của pin Li-S.

“Hiện nay, những trở ngại của pin Li-S chủ yếu được khắc phục thông qua việc thiết kế các điện cực và chất điện phân”, Lu nói. “Để tăng khả năng hấp thụ của lithium polysulfide và tăng cường tạo ra lưu huỳnh hoạt tính trong giai đoạn phóng điện, các điện cực luôn bao gồm lớp xen kẽ xốp có hoạt tính xúc tác cao”.

Vật liệu carbon có bề mặt không phân cực hầu như không xúc tác cho quá trình chuyển đổi lithium polysulfide hòa tan. Theo Lu, một số hạt nano oxit kim loại hoặc các giống lai hữu cơ-vô cơ đã được sử dụng để neo các polysulfua lithium nhằm tăng cường sự hấp thụ và chuyển đổi các polysulfua lithium. Tuy nhiên, những vật liệu này thực hiện động học oxy hóa khử chậm của pin Li-S có hàm lượng lưu huỳnh cao do sự tích tụ lithium polysulfide trong các lớp xen kẽ. Các loài hoạt động được sử dụng ở mức độ thấp.

Lu cho biết, để thu được cực âm hiệu quả, sự kết hợp giữa vật liệu carbon và vật liệu chức năng vô cơ dường như là một chiến lược khả thi. Tuy nhiên, các chế phẩm xúc tác thường được bao phủ bởi lớp trung gian, điều này làm giảm khả năng chuyển đổi polysulfua, cuối cùng dẫn đến thất bại trong việc đạt được tác dụng hiệp đồng của hai chức năng.

"Trong những năm qua, rất nhiều nỗ lực đã được dành cho cực âm của pin lithium-lưu huỳnh với khả năng hấp phụ hóa học tuyệt vời của polysulfide và hiệu suất xúc tác cao. Vấn đề cấp bách là tìm ra một chiến lược khả thi để tích hợp nhiều chức năng tương ứng nhằm đẩy nhanh quá trình chuyển đổi của polysulfua”, Lu nói.

"Graphdiyne (GDY) được biết đến như một dạng thù hình carbon mới với cấu trúc phẳng và các đặc tính độc đáo. Các liên kết butadiyne (-C≡C-C≡C-) với các vòng benzen dẫn đến mật độ nguyên tử thấp hơn và tạo ra các lỗ chân lông tự nhiên, có thể phát huy tác dụng một vai trò quan trọng trong pin lithium-lưu huỳnh".

"Trong nghiên cứu của chúng tôi, một chiến lược mới được đề xuất nhằm nâng cao hiệu suất của pin lithium-lưu huỳnh bằng cách phát triển các lớp 3D HsGDY (graphdiyne thay thế hydro) trên bọt Ni thông qua phản ứng ghép chéo Glaser để neo MoS₂/Ni₃S₂, tăng cường độ dẫn điện của lưu huỳnh- lưu trữ tài liệu", Lu nói.

"Khung 3D HsGDY cho phép hấp phụ nhanh các polysulfua lithium và Ni₃S₂/MoS₂ hoạt động như một trung tâm phản ứng với điện trở truyền điện tích thấp".

Lu kết luận rằng các điện cực Ni@HsGDY /MoS₂/Ni₃S₂/S thể hiện hiệu suất cao trong pin lithium-lưu huỳnh, với dung lượng riêng lớn và độ ổn định lâu dài ở mật độ dòng điện cao. Việc kết hợp HsGDY vào cực âm có thể thúc đẩy quá trình hấp thụ và chuyển đổi lithium polysulfide trong chất điện phân, mang lại những ý tưởng mới để thu được pin lithium-lưu huỳnh mật độ năng lượng cao.

“Pin lithium-ion đã được thương mại hóa trong nhiều thập kỷ. Mật độ năng lượng của chúng đã tăng nhẹ trong vài năm qua, mặc dù đã có rất nhiều nỗ lực nghiên cứu được thực hiện. Nghiên cứu về pin Li-S chứa HsGDY vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và vẫn cần có những nghiên cứu quan trọng để hiện thực hóa các ứng dụng thực tế”, ông nói.

​P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2023-09-nickel-foam-lithium-sulfur-batteries.html, 2/10/2023