Pin không khí là gì?

Loại pin tối tân làm từ không khí dự kiến ​​sẽ xuất hiện trong thời gian tới. Pin không yêu cầu điện cực truyền thống và có trọng lượng bằng 1/5 so với pin lithium hiện có. "Nihon Keizai Shimbun" đã chỉ ra trong một báo cáo gần đây rằng nhiều quốc gia và công ty trên thế giới đang tích cực thúc đẩy nghiên cứu và phát triển pin không khí, với hy vọng đạt được mục tiêu khử cacbon càng sớm càng tốt.

Pin kim loại-không khí có ưu điểm là hiệu suất tốc độ tốt, mật độ năng lượng cao và tính bền vững carbon thấp. Học giả nổi tiếng Leclanche đã phát triển pin kim loại-không khí đầu tiên trên thế giới vào năm 1868. Ngày nay, nhiều loại pin kim loại-không khí đã được phát triển. Do phản ứng cực âm của hầu hết các pin kim loại-không khí bị chi phối bởi oxy (ngoài carbon dioxide, nitơ, v.v.), nên quá trình phóng điện dựa trên các phản ứng khử oxy (ORR) và tiến hóa oxy (OER) xảy ra trong khu vực catốt.

pin lithium-không khí

Nghiên cứu pin Li-air có thể được bắt đầu từ năm 1976, lần đầu tiên được đề xuất bởi Littauer và Tsai. Điện cực âm của pin là lithium kim loại, điện cực dương là vật liệu composite có cấu trúc lỗ rỗng hợp lý và hoạt tính xúc tác ORR, chất phân tách là sợi thủy tinh hoặc màng PP và chất điện phân thường là 1M LiTFSI được hòa tan trong TEGDME hoặc DMSO. Trong quá trình phóng điện, lithium ở điện cực âm mất đi các electron và trở thành Li+, sẽ di chuyển đến điện cực dương sau khi đi qua dải phân cách. Về mặt tích cực, với sự hỗ trợ của chất xúc tác, oxy sẽ thu được các electron mạch ngoài để tạo ra phản ứng ORR để tạo ra các ion trung gian O2−, Li+ và O2− kết hợp với nhau để tạo thành LiO2, sau đó trải qua quá trình khử điện hóa hoặc khử hóa học tiếp theo để tạo ra thành phần cuối cùng. sản phẩm phóng điện Li2O2. Trong quá trình sạc, Li2O2 trải qua phản ứng oxy hóa để tạo thành LiO2-x, chất này tiếp tục bị phân hủy thành Li+ và O2, đồng thời Li+ di chuyển trở lại điện cực âm và tái tạo lithium kim loại.

Oxy là chất phản ứng tích cực thực sự trong suốt quá trình phản ứng của pin. Là một thành phần quan trọng của pin lithium-oxy, catốt xốp có chức năng hỗ trợ các vật liệu hoạt động, cung cấp giao diện ba pha "khí-lỏng-rắn" cho phản ứng điện hóa giữa các ion oxy và lithium, đồng thời đóng vai trò là ORR/OER trong quá trình sạc và phóng điện. chất xúc tác cho quá trình.

Pin nhôm-không khí

Nhôm kim loại đã được sử dụng trong vật liệu pin từ đầu thế kỷ 19. Năm 1960, Zaromb và cộng sự. đã nghiên cứu lý thuyết về cực dương nhôm trong hệ thống pin không khí trong pin nhiên liệu và thảo luận về tính khả thi của nó. Năm 1962, Holzer F đã nghiên cứu thực nghiệm pin kim loại nhôm-không khí. Sau đó, sau quá trình phát triển không ngừng, năm 1979, ARDepic et al. đã sử dụng nước biển làm chất điện phân cho pin nhôm-không khí và ứng dụng nó trong xe điện. Từ năm 1990, pin nhôm-không khí đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như ứng dụng trong nguồn năng lượng hóa học, xe điện và tàu ngầm dưới nước.

Điện cực âm của pin nhôm-không khí tiêu thụ nhôm kim loại và bao gồm nhôm hoặc hợp kim nhôm có độ tinh khiết cao; điện cực dương tiêu thụ oxy và bao gồm màng thấm khí không thấm nước, chất xúc tác và vật liệu dẫn điện; chất điện phân tiêu thụ nước và bao gồm dung dịch kiềm hoặc dung dịch muối. Trong quá trình làm việc của pin, nhôm kim loại hòa tan trong chất điện phân để tạo thành hydroxit kim loại màu trắng Al(OH)3, oxy đi vào điện cực dương thông qua màng chống thấm và thoáng khí, đồng thời phản ứng điện hóa với nước dưới tác dụng của chất xúc tác để tạo ra Ồ-. Năng lượng hóa học được chuyển đổi thành năng lượng điện.

Pin kẽm-không khí

Nghiên cứu sớm nhất về pin kẽm-không khí có thể bắt nguồn từ năm 1879. Mache et al. mảnh kẽm được sử dụng làm điện cực âm của pin. Điện cực không khí được làm bằng carbon và một lượng nhỏ bột Pt làm chất mang, và dung dịch nước amoni clorua được sử dụng làm chất điện phân để lắp ráp sớm nhất trong lịch sử. pin kẽm-không khí.

Pin kẽm-không khí bao gồm cực dương kẽm, chất điện phân, cực âm không khí và màng ngăn cách. Điện cực âm có thể sử dụng tấm kẽm nguyên chất, lá kẽm, hợp kim kẽm, v.v.; chất điện phân thường sử dụng dung dịch kali hydroxit 6mol/L có độ dẫn điện và hệ số khuếch tán O2 tốt; chất lượng của điện cực dương không khí là lõi của pin kẽm-không khí, Thông thường, giao diện ba pha được hình thành bởi lớp khuếch tán khí trong pha khí, lớp chất xúc tác trong pha rắn và lớp thu dòng trong pha khí. pha lỏng. Thiết bị tách màng không chỉ yêu cầu hiệu suất làm kín cao để tránh rò rỉ chất lỏng mà còn phải đảm bảo lớp xúc tác tiếp xúc tốt với không khí để phản ứng diễn ra thuận lợi.

Trong quá trình phóng điện của pin kẽm-không khí, kẽm của điện cực âm của pin bị oxy hóa trong chất điện phân để tạo thành các ion kẽmat tự do (Zn(OH)42-) và giải phóng các electron ra mạch ngoài. ion (OH)42- dần dần tạo ra ZnO không tan; tại giao diện ba pha của điện cực dương của pin, O2 trong không khí tiếp nhận các electron từ điện cực âm và phản ứng khử xảy ra trên lớp xúc tác để trở thành OH-, được sử dụng để bổ sung cho điện cực âm tiêu thụ OH- để duy trì cân bằng điện hóa. Quá trình nạp là phản ứng ngược với quá trình phóng điện, nghĩa là Zn(OH)42- nhận electron và bị khử thành Zn ở cực dương, còn ở cực âm OH- nhường electron và hút O2.

pin natri-không khí

Pin natri-không khí bắt đầu muộn. Năm 2011, Peled và cộng sự. đề xuất rằng natri nóng chảy lỏng được sử dụng thay vì lithium kim loại làm cực dương để thu được pin natri-không khí hoạt động bình thường trong khoảng 105-110 °C. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về pin natri-không khí đã đạt được động lực chưa từng có. Pin natri-không khí bao gồm vật liệu carbon xốp làm cực âm không khí/oxy và kim loại natri nguyên chất làm cực dương. Hai điện cực được kẹp giữa một dải phân cách có chứa chất điện phân không proton. Chất phản ứng catốt O2 khuếch tán từ không khí xung quanh vào carbon xốp trong quá trình phóng điện.

Trong quá trình phóng điện, natri kim loại bị oxy hóa thành các ion natri (Na+), di chuyển đến cực âm thông qua chất điện phân hữu cơ. Đồng thời, O2 bị khử ở bề mặt cực âm để tạo thành oxy khử (O2- hoặc O22-), sau đó kết hợp với Na+ di chuyển để tạo thành oxit kim loại làm sản phẩm phóng điện. Khi pin được sạc đầy, phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, với lớp mạ kim loại Na ở cực dương và oxy thoát ra ở cực âm.

Pin magie-không khí

Pin magie-không khí thường sử dụng Mg và hợp kim của nó làm điện cực âm, NaOH hoặc KOH 6mol/L làm chất điện phân và điện cực dương là điện cực không khí, trên đó nạp hỗn hợp chất xúc tác và muội than dẫn điện. Trong quá trình phóng điện của pin magie-không khí, kim loại magie phản ứng với chất điện phân để giải phóng các electron và các electron đến điểm nối ba pha của điện cực không khí thông qua mạch ngoài và phản ứng với oxy và nước để tạo ra các ion hydroxit.

Hiện tại, chỉ có một số báo cáo thử nghiệm và lý thuyết về pin magiê-không khí, vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và dung lượng chu kỳ của chúng rất hạn chế.

pin kali-không khí

Pin kali-không khí thực hiện việc cung cấp dòng điện thông qua quy trình một electron đơn giản mà không cần sử dụng chất xúc tác điện đắt tiền. Trong quá trình phóng điện, dễ dàng thu được KO2 ổn định nhiệt động hơn do lực đẩy không gian giữa K+ và KO2 là sản phẩm phóng điện duy nhất; KO2 bị phân hủy thành K+ và O2 trong quá trình sạc, và toàn bộ phản ứng điện cực được thực hiện bởi cặp oxi hóa khử đơn electron O2/O2-.

pin sắt-không khí

Pin sắt-không khí sử dụng sắt kim loại làm cực dương, điện cực không khí làm điện cực âm và dung dịch muối kiềm hoặc muối trung tính làm chất điện phân. Để cải thiện hoạt động của nó, oxit hoặc các nguyên tố khác thường được thêm vào bột sắt để cải thiện khả năng phóng điện của điện cực sắt.

So với các loại pin không khí kim loại khác, pin không khí sắt có điện áp phóng điện thấp hơn và mật độ năng lượng cụ thể, chi phí phát triển và sử dụng cao hơn, do đó, hiện tại có ít nghiên cứu về pin sắt-không khí. Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất điện cực của pin sắt-không khí là sự thụ động hóa bề mặt điện cực sắt khi phóng điện tốc độ cao và phản ứng tiến hóa hydro nghiêm trọng bên trong pin trong quá trình sạc. Phản ứng tiến hóa hydro tiêu thụ khoảng một nửa năng lượng của pin và làm giảm đáng kể hiệu suất dòng điện Faradaic.

Pin kim loại-không khí sử dụng kim loại hoạt động nhẹ làm vật liệu cực dương, có ưu điểm là mật độ năng lượng cao và xả ổn định. Ngoài ra, sản phẩm của nó chủ yếu là các oxit kim loại, không gây ô nhiễm môi trường. Nó là một công nghệ năng lượng tiên tiến với cả năng lượng và bảo vệ môi trường. Hiện nay, pin kim loại-không khí đã trở thành chủ đề nghiên cứu chuyên sâu trên toàn thế giới và đạt được những bước tiến vượt bậc trong thập kỷ qua. Nó dự kiến ​​sẽ được sử dụng trong các phương tiện năng lượng mới, thiết bị cầm tay, thiết bị phát điện cố định và các lĩnh vực khác trong tương lai