Bis-imino-acenaphthenequinone-paraphenylene (BP) copolymer là loại vật liệu mới cho phép pin lithium-ion có khả năng giữ được gần như hoàn toàn dung lượng sau khoảng thời gian đến 5 năm, thậm chí còn lâu hơn nữa.
Có thể nói điểm yếu của các thiết bị điện tử hoạt động bằng pin sạc hiện tại là dung lượng pin bị giảm xuống theo số lần sạc, cũng đồng nghĩa với thời gian sử dụng bị hạn chế qua thời gian. Một chiếc smartphone mới với 100% pin có thể phục vụ bạn trong 1 ngày, nhưng sau khoảng 1 năm, cũng với khối lượng phục vụ tương tự, thiết bị chỉ có thể chạy khoảng 3/4 ngày. Số lần sạc lại được của pin lithium-ion hiện tại là 1 con số có giới hạn, đi cùng với đó là dung lượng pin giảm dần theo thời gian. Một số nhà sản xuất (như Apple áp dụng trên iPhone chẳng hạn) thể hiện sự thay đổi này qua chỉ số gọi là “battery health” cho người dùng dễ hình dung.
Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự sụt giảm dung lượng theo thời gian của pin lithium-ion là sự xuống cấp của cực dương graphite. Graphite được sử dụng làm cực dương (anode) cho các điện cực âm (negative electrode) của pin lithium-ion trong hơn 3 thập kỷ qua. Anode và cathode cũng như chất điện phân tạo thành 1 môi trường nơi các phản ứng điện hóa xảy ra (sạc và xả). Thách thức lớn nhất mà graphite anode gặp phải là sự bong tróc của khung graphite trong chu trình sạc sâu với tốc độ dòng diện nhanh, dẫn đến suy giảm dung lượng theo thời gian. Vì lẽ đó, người ta dùng PVDF (poly vinylidene fluoride) làm chất kết dính để ổn định khung graphite. Tuy nhiên PVDF không dẫn điện, hòa tan chậm trong chất điện phân đã hạn chế công dụng của nó trên các mẫu pin lithium-ion có vòng đời dài. Trong thực tế, pin lithium-ion sử dụng PVDF làm chất kết dính điện cực sẽ chỉ còn 65% dung lượng sau 500 chu kỳ sạc xả.
Để giải quyết các vấn đề này, nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (Japan Advanced Institute of Science and Technology - JAIST) đang sử dụng loại chất kết dính mới làm từ bis-imino-acenaphthenequinone-paraphenylene copolymer. BP cho phép pin có thể giữ lại đến 95% dung lượng sau hơn 1700 chu kỳ sạc xả. Nếu mỗi ngày bạn thực hiện 1 chu kỳ sạc xả, pin với chất kết dính BP có thể sử dụng gần như nguyên vẹn dung lượng sau gần 5 năm.
Chất kết dính BP có độ ổn định cơ học tốt hơn đáng kể so với PVDF và bám dính vào anode nhờ tương tác π-π giữa các nhóm bis-imino-acenaphthenequinone và graphite, cũng như sự kết dính tốt của các phối tử (ligand) trong copolymer với bộ thu dòng điện bằng đồng của pin. BP copolymer có tính dẫn điện nhiều hơn so với PVDF, tạo ra 1 giao diện điện phân rắn mỏng hơn với điện trở thấp hơn. Cuối cùng, BP copolymer khó phản ứng với chất điện phân, ngăn chặn sự phân hủy của nó trong suốt vòng đời pin. Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử cho thấy chất kết dính BP chỉ xuất hiện những vết nứt nhỏ hình thành, trong khi chất PVDF có những vết nứt khá lớn sau gần 1/3 tổng số chu kỳ sạc xả.
Phát hiện về BP copolymer sẽ mở đường cho việc phát triển các loại pin lithium-ion có tuổi thọ cao, cũng như tạo ra những thay đổi trong kinh tế và môi trường. Pin bền hơn giúp phát triển các thiết bị có chất lượng tốt hơn đủ để sử dụng trong thời gian dài, nhất là những sản phẩm như xe điện và các cơ quan nội tạng nhân tạo. Về mặt môi trường, pin bền hơn sẽ giảm thiểu bị thải loại khi nó không còn đáp ứng được nhu cầu sau thời gian ngắn, nhất là trong xã hội hiện đại khi mà mỗi người đều sở hữu ít nhất 1 thiết bị di động.
Link nguồn dưới comment.
Có thể nói điểm yếu của các thiết bị điện tử hoạt động bằng pin sạc hiện tại là dung lượng pin bị giảm xuống theo số lần sạc, cũng đồng nghĩa với thời gian sử dụng bị hạn chế qua thời gian. Một chiếc smartphone mới với 100% pin có thể phục vụ bạn trong 1 ngày, nhưng sau khoảng 1 năm, cũng với khối lượng phục vụ tương tự, thiết bị chỉ có thể chạy khoảng 3/4 ngày. Số lần sạc lại được của pin lithium-ion hiện tại là 1 con số có giới hạn, đi cùng với đó là dung lượng pin giảm dần theo thời gian. Một số nhà sản xuất (như Apple áp dụng trên iPhone chẳng hạn) thể hiện sự thay đổi này qua chỉ số gọi là “battery health” cho người dùng dễ hình dung.
Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự sụt giảm dung lượng theo thời gian của pin lithium-ion là sự xuống cấp của cực dương graphite. Graphite được sử dụng làm cực dương (anode) cho các điện cực âm (negative electrode) của pin lithium-ion trong hơn 3 thập kỷ qua. Anode và cathode cũng như chất điện phân tạo thành 1 môi trường nơi các phản ứng điện hóa xảy ra (sạc và xả). Thách thức lớn nhất mà graphite anode gặp phải là sự bong tróc của khung graphite trong chu trình sạc sâu với tốc độ dòng diện nhanh, dẫn đến suy giảm dung lượng theo thời gian. Vì lẽ đó, người ta dùng PVDF (poly vinylidene fluoride) làm chất kết dính để ổn định khung graphite. Tuy nhiên PVDF không dẫn điện, hòa tan chậm trong chất điện phân đã hạn chế công dụng của nó trên các mẫu pin lithium-ion có vòng đời dài. Trong thực tế, pin lithium-ion sử dụng PVDF làm chất kết dính điện cực sẽ chỉ còn 65% dung lượng sau 500 chu kỳ sạc xả.
Để giải quyết các vấn đề này, nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (Japan Advanced Institute of Science and Technology - JAIST) đang sử dụng loại chất kết dính mới làm từ bis-imino-acenaphthenequinone-paraphenylene copolymer. BP cho phép pin có thể giữ lại đến 95% dung lượng sau hơn 1700 chu kỳ sạc xả. Nếu mỗi ngày bạn thực hiện 1 chu kỳ sạc xả, pin với chất kết dính BP có thể sử dụng gần như nguyên vẹn dung lượng sau gần 5 năm.
Chất kết dính BP có độ ổn định cơ học tốt hơn đáng kể so với PVDF và bám dính vào anode nhờ tương tác π-π giữa các nhóm bis-imino-acenaphthenequinone và graphite, cũng như sự kết dính tốt của các phối tử (ligand) trong copolymer với bộ thu dòng điện bằng đồng của pin. BP copolymer có tính dẫn điện nhiều hơn so với PVDF, tạo ra 1 giao diện điện phân rắn mỏng hơn với điện trở thấp hơn. Cuối cùng, BP copolymer khó phản ứng với chất điện phân, ngăn chặn sự phân hủy của nó trong suốt vòng đời pin. Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử cho thấy chất kết dính BP chỉ xuất hiện những vết nứt nhỏ hình thành, trong khi chất PVDF có những vết nứt khá lớn sau gần 1/3 tổng số chu kỳ sạc xả.
Phát hiện về BP copolymer sẽ mở đường cho việc phát triển các loại pin lithium-ion có tuổi thọ cao, cũng như tạo ra những thay đổi trong kinh tế và môi trường. Pin bền hơn giúp phát triển các thiết bị có chất lượng tốt hơn đủ để sử dụng trong thời gian dài, nhất là những sản phẩm như xe điện và các cơ quan nội tạng nhân tạo. Về mặt môi trường, pin bền hơn sẽ giảm thiểu bị thải loại khi nó không còn đáp ứng được nhu cầu sau thời gian ngắn, nhất là trong xã hội hiện đại khi mà mỗi người đều sở hữu ít nhất 1 thiết bị di động.
Link nguồn dưới comment.
