Graphene và pin
Graphene, một tấm nguyên tử carbon liên kết với nhau theo mô hình mạng tổ ong, được công nhận là một “vật liệu kỳ diệu” do vô số thuộc tính đáng kinh ngạc mà nó nắm giữ. Nó là một chất dẫn điện mạnh và năng lượng nhiệt, cực kỳ nhẹ trơ về mặt hóa học và linh hoạt với diện tích bề mặt lớn. Nó cũng được coi là thân thiện với môi trường và bền vững, với khả năng không giới hạn cho nhiều ứng dụng.
Ưu điểm của pin graphene
Trong lĩnh vực pin, vật liệu điện cực pin thông thường (và những vật liệu tiềm năng) được cải thiện đáng kể khi được tăng cường bằng graphene. Pin graphene có thể nhẹ, bền và thích hợp để lưu trữ năng lượng với dung lượng cao, cũng như rút ngắn thời gian sạc. Nó sẽ kéo dài tuổi thọ của pin, liên kết tiêu cực với lượng carbon được phủ trên vật liệu hoặc được thêm vào các điện cực để đạt được độ dẫn điện và graphene bổ sung thêm độ dẫn điện mà không yêu cầu lượng carbon được sử dụng trong pin thông thường.
Graphene có thể cải thiện các thuộc tính của pin như mật độ và hình thức năng lượng theo nhiều cách khác nhau. Pin Li-ion (và các loại pin có thể sạc lại khác) có thể được tăng cường bằng cách đưa graphene vào cực dương của pin và tận dụng tính dẫn điện và các đặc điểm diện tích bề mặt lớn của vật liệu để đạt được hiệu suất và tối ưu hóa hình thái.
Người ta cũng phát hiện ra rằng việc tạo ra các vật liệu lai cũng có thể hữu ích để đạt được hiệu quả nâng cao pin. Một hỗn hợp của Vanadi Oxit (VO2) và graphene, chẳng hạn, có thể được sử dụng trên các cực âm Li-ion và mang lại khả năng sạc và phóng điện nhanh chóng cũng như độ bền chu kỳ sạc lớn. Trong trường hợp này, VO2 cung cấp công suất năng lượng cao nhưng độ dẫn điện kém, có thể được giải quyết bằng cách sử dụng graphene như một loại “xương sống” cấu trúc để gắn VO2 - tạo ra một loại vật liệu lai vừa có khả năng nâng cao vừa có khả năng dẫn điện tuyệt vời.
Một ví dụ khác là pin LFP (Lithium Iron Phosphate), là một loại pin Li-ion có thể sạc lại. Nó có mật độ năng lượng thấp hơn so với các loại pin Li-ion khác nhưng mật độ năng lượng cao hơn (một chỉ số về tốc độ năng lượng có thể được cung cấp bởi pin). Tăng cường catốt LFP bằng graphene cho phép pin nhẹ, sạc nhanh hơn nhiều so với pin Li-ion và có dung lượng lớn hơn pin LFP thông thường.
Ngoài việc cách mạng hóa thị trường pin, việc sử dụng kết hợp pin graphene và graphene siêu tụ điện có thể mang lại kết quả đáng kinh ngạc, giống như khái niệm đã lưu ý về việc cải thiện phạm vi lái xe và hiệu quả của ô tô điện. Trong khi pin graphene vẫn chưa đạt được thương mại hóa rộng rãi, những đột phá về pin đang được báo cáo trên khắp thế giới.
Thông tin cơ bản về pin
Ắc quy đóng vai trò như một nguồn điện di động, cho phép các thiết bị sử dụng điện hoạt động mà không cần cắm trực tiếp vào ổ cắm. Trong khi nhiều loại pin tồn tại, khái niệm cơ bản về chức năng của chúng vẫn tương tự nhau: một hoặc nhiều tế bào điện hóa chuyển đổi năng lượng hóa học được lưu trữ thành năng lượng điện. Pin thường được làm bằng kim loại hoặc vỏ nhựa, có chứa cực dương (cực dương), cực âm (cực âm) và các chất điện phân cho phép các ion di chuyển giữa chúng. Một màng ngăn cách (màng cao phân tử có thể thẩm thấu) tạo ra một rào cản giữa cực dương và cực âm để ngăn ngừa đoản mạch điện đồng thời cho phép vận chuyển các hạt mang điện tích ion cần thiết để đóng mạch trong quá trình dòng điện chạy qua. Cuối cùng, một bộ thu được sử dụng để dẫn điện bên ngoài pin, thông qua thiết bị được kết nối.
Khi hoàn thành đoạn mạch giữa hai đầu cực, pin sẽ tạo ra điện thông qua một loạt phản ứng. Cực dương xảy ra phản ứng oxy hóa, trong đó hai hoặc nhiều ion từ chất điện phân kết hợp với cực dương để tạo ra hợp chất, giải phóng các điện tử. Đồng thời, catot trải qua phản ứng khử, trong đó chất catot, ion và electron tự do kết hợp thành hợp chất. Nói một cách đơn giản, phản ứng ở cực dương tạo ra các electron trong khi phản ứng ở cực âm hấp thụ chúng và từ quá trình đó điện được tạo ra. Pin sẽ tiếp tục sản xuất điện cho đến khi các điện cực hết chất cần thiết để tạo ra các phản ứng.
Các loại và đặc điểm của pin
Ắc quy được chia thành hai loại chính: sơ cấp và thứ cấp. Pin tiểu (dùng một lần), được sử dụng một lần và trở nên vô dụng vì vật liệu điện cực trong chúng thay đổi không thể đảo ngược trong quá trình sạc. Các ví dụ phổ biến là pin kẽm-carbon cũng như pin kiềm được sử dụng trong đồ chơi, đèn pin và vô số thiết bị di động. Pin phụ (có thể sạc lại), có thể xả và sạc lại nhiều lần vì thành phần ban đầu của điện cực có thể phục hồi chức năng. Ví dụ bao gồm pin axit-chì được sử dụng trong xe cộ và pin lithium-ion được sử dụng cho thiết bị điện tử di động.
Pin có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau cho vô số mục đích khác nhau. Các loại pin khác nhau hiển thị những ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Pin Nickel-Cadmium (NiCd) có mật độ năng lượng tương đối thấp và được sử dụng ở những nơi có tuổi thọ cao, tốc độ phóng điện cao và giá cả tiết kiệm là chìa khóa. Chúng có thể được tìm thấy trong máy quay video và các công cụ điện, trong số các mục đích sử dụng khác. Pin NiCd chứa các kim loại độc hại và không thân thiện với môi trường. Pin hyđrua Niken-Kim loại có mật độ năng lượng cao hơn so với pin NiCd, nhưng cũng có chu kỳ ngắn hơn. Các ứng dụng bao gồm điện thoại di động và máy tính xách tay. Pin Axit-Chì nặng và đóng một vai trò quan trọng trong các ứng dụng công suất lớn, nơi trọng lượng không phải là bản chất mà là giá cả kinh tế. Chúng được sử dụng phổ biến như thiết bị bệnh viện và chiếu sáng khẩn cấp.
Pin Lithium-Ion (Li-ion) được sử dụng khi năng lượng cao và trọng lượng tối thiểu là quan trọng, nhưng công nghệ này rất mong manh và cần có mạch bảo vệ để đảm bảo an toàn. Các ứng dụng bao gồm điện thoại di động và các loại máy tính. Pin Lithium Ion Polymer (Li-ion polymer) chủ yếu được tìm thấy trong điện thoại di động. Chúng có trọng lượng nhẹ và hình thức mỏng hơn so với pin Li-ion. Chúng cũng thường an toàn hơn và có tuổi thọ cao hơn. Tuy nhiên, chúng dường như ít phổ biến hơn vì pin Li-ion được sản xuất rẻ hơn và có mật độ năng lượng cao hơn.
Pin và siêu tụ điện
Trong khi có một số loại pin có thể tích trữ một lượng lớn năng lượng, chúng rất lớn, nặng và giải phóng năng lượng chậm. Mặt khác, tụ điện có thể sạc và xả nhanh nhưng lại chứa ít năng lượng hơn nhiều so với pin. Tuy nhiên, việc sử dụng graphene trong lĩnh vực này mang lại những khả năng mới thú vị để lưu trữ năng lượng, với tốc độ sạc và xả cao và thậm chí là khả năng chi trả kinh tế. Hiệu suất được cải thiện bằng Graphene do đó làm mờ ranh giới phân biệt thông thường giữa siêu tụ điện và pin.
Pin Graphene kết hợp những ưu điểm của cả pin và siêu tụ điện
Pin tăng cường Graphene gần như đã có mặt ở đây
Pin làm từ Graphene có tiềm năng thú vị và mặc dù chúng vẫn chưa được thương mại hóa hoàn toàn, nhưng hoạt động nghiên cứu và phát triển đang diễn ra chuyên sâu và hy vọng sẽ mang lại kết quả trong tương lai. Các công ty trên khắp thế giới (bao gồm Samsung, Huawei, và những công ty khác) đang phát triển các loại pin tăng cường graphene khác nhau, một số trong số đó hiện đang gia nhập thị trường. Các ứng dụng chính là trong xe điện và thiết bị di động.
Một số loại pin sử dụng graphene theo cách ngoại vi - không phải trong hóa học của pin. Ví dụ trong năm 2016, Huawei tiết lộ pin Li-Ion tăng cường graphene mới sử dụng graphene để duy trì hoạt động ở nhiệt độ cao hơn (60 ° so với giới hạn 50 ° hiện có) và cung cấp thời gian hoạt động gấp đôi. Graphene được sử dụng trong pin này để tản nhiệt tốt hơn - nó làm giảm nhiệt độ hoạt động của pin xuống 5 độ.
Nguồn: Pin Graphene: Giới thiệu và Tin tức thị trường | Graphene-Info
