Pin Tiếp Theo của Bạn Có Thể Được In Trên Giấy

Sự hỗn loạn trong chuỗi cung ứng dường như xuất hiện ở khắp mọi nơi, lan rộng từ lĩnh vực bán dẫn đến nhiều loại hàng hóa khác. Với việc giá cả hàng hóa và tài nguyên thiên nhiên biến động mạnh trước các sự kiện chính trị toàn cầu, cùng với nhu cầu ngày càng tăng đối với xe điện, thế giới có thể sẽ đối mặt với tình trạng thiếu hụt lithium vào năm 2025 (theo đánh giá của Cơ quan Năng lượng Quốc tế). Trước nhu cầu lithium ngày càng tăng, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực học thuật và công nghiệp đã tìm kiếm các vật liệu pin thay thế để vượt qua những thách thức này.

Một trong những phát triển thú vị nhất được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Liên bang Thụy Sĩ về Khoa học và Công nghệ Vật liệu (Empa). Kết quả nghiên cứu đã được công bố trong số mới nhất của Nature. Họ đã công bố một loại vật liệu pin mới, có thể kích hoạt bằng nước và in được trên tờ giấy. Theo lý thuyết, vật liệu hoạt động điện hóa này có thể được in trên bất kỳ vật liệu nền nào, như một chất cách điện linh hoạt như nhựa.

Mặc dù không ai đề xuất sử dụng pin giấy cho xe điện, nhưng vật liệu này có thể phát ra điện áp lên đến 1.2 V trong một tế bào đơn (tương đương với hóa học pin Ni-MH). Do đó, các chồng vật liệu loại này có thể được sử dụng như một pin dùng một lần nhỏ cho điện tử cầm tay hoặc các thiết bị nhỏ khác. Đây không phải là giải pháp hoàn hảo cho tình trạng thiếu hụt lithium, nhưng những vật liệu thay thế này có thể cho phép chuyển hướng lithium vào những lĩnh vực quan trọng hơn như xe điện (EVs).

Một Loại Vật Liệu Pin Dựa Trên Mực

Vật liệu do các nhà nghiên cứu tại Empa phát triển thực sự là một loại vật liệu lớp carbon bao gồm graphite, carbon black, kẽm làm anode, và muối. Hóa học dựa trên carbon-muối có thể được kích hoạt bằng cách áp dụng nước, như được mô tả dưới đây. Cấu trúc lớp của vật liệu pin này được hiển thị trong hình dưới đây.

Các lớp trên cùng và dưới cùng của graphite + carbon black hoạt động như các lớp hoạt động tham gia vào phản ứng điện hóa của pin. Khi được phủ muối và tiếp xúc với nước, phản ứng điện hóa kết quả có thể tạo ra dòng điện chảy qua mạch kết nối.

Phát hiện cụ thể này không phải là một hệ thống khả thi, nó chỉ là một minh chứng cho một hóa học mới có thể sản xuất đủ năng lượng để chạy các thiết bị điện tử nhỏ. Việc sản lượng điện tương thích với pin Ni-MH và pin kiềm cho thấy vật liệu này khả thi từ góc độ điện hóa. Khía cạnh thương mại là một vấn đề khác, như tôi đã trình bày dưới đây.

Vậy đây có phải là sự thay thế cho các hóa học pin tiêu chuẩn mà chúng ta đều quen thuộc? Có lẽ không, nhưng các vật liệu carbon đang được sử dụng trong hóa học dựa trên Li như một vật liệu anode, mang lại một số lợi ích cho các hệ thống điện khí hóa.

Vật Liệu Thay Thế Hấp Dẫn, Nhưng Cần Thời Gian

Mặc dù việc tìm kiếm các vật liệu pin thay thế nhằm hoàn toàn thay thế các hóa chất hiện có (bao gồm lithium) là một chủ đề nghiên cứu liên tục, con đường này còn dài và lộ trình thương mại hóa đầy rủi ro. Do đó, ngành công nghiệp vật liệu pin đã tập trung vào việc cải thiện thiết kế pin, bao gồm việc sử dụng các vật liệu tương tự giúp cải thiện hoạt động của pin mà không thay đổi hóa chất trong pin.

Tại sao chúng ta nên quan tâm đến việc thay đổi hóa chất pin? Từ góc độ bền vững và đảm bảo nhu cầu điện khí hóa có thể được đáp ứng, việc tìm kiếm một hóa chất thay thế có thể so sánh với lithium là một hướng đi hấp dẫn. Vấn đề đến từ việc thương mại hóa: Hóa chất dựa trên Li và các hóa chất dựa trên kim loại khác đã được hiểu rõ và đã được xác nhận từ góc độ an toàn. Điều này làm cho việc xây dựng dựa trên các hóa chất cơ bản dựa trên Li trở thành một lựa chọn hấp dẫn từ góc độ rủi ro và trách nhiệm pháp lý. Nếu hóa chất mới được phát triển và có một lộ trình thương mại hóa, hóa chất mới sẽ cần phải chứng minh một mức độ tuân thủ quy định cũng như bằng chứng về độ tin cậy đối với khách hàng.

Vì những lý do này, trọng tâm gần đây trong số các nhà phát triển vật liệu pin đã tập trung vào việc sử dụng vật liệu carbon cho các cải tiến từng bước trong thiết kế pin hiện có. Các nhà thiết kế pin có thể tận dụng kiến thức về sản xuất, kiểm tra và kiểm soát chất lượng pin hiện có trong những thiết kế pin mới này mà vẫn nhận được lợi ích từ hóa chất dựa trên carbon.

Một số lợi ích chính của vật liệu dựa trên carbon được sử dụng trong các hóa chất pin hiện có bao gồm:

Một trong những vật liệu dựa trên carbon đang được phát triển để cải thiện pin Li-ion là graphite chức năng hóa, có thể được sản xuất một cách dễ dàng và sử dụng để xây dựng anode cho hệ thống pin Li-ion. Một vật liệu dựa trên carbon khác là ống nano carbon, được hưởng lợi từ khả năng vận chuyển điện tích đạn đạo cao theo hướng trục. Khi được tích hợp vào hệ thống pin, những vật liệu này cung cấp tốc độ sạc/xả và dung lượng lớn hơn trong một hóa chất pin đã được chứng minh là đáng tin cậy.

Khi ngày càng có nhiều hệ thống pin này được đưa ra thị trường và các nhà thiết kế có thể tích hợp chúng vào hệ thống của mình, hãy chắc chắn bạn sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart để tìm tất cả các linh kiện tiên tiến bạn cần cho hệ thống điện khí hóa. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối được cập nhật, hàng tồn kho linh kiện, và thông số kỹ thuật của linh kiện, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.