Đo góc tiếp xúc giúp hiểu rõ hơn cách kéo dài tuổi thọ của pin sạc Kẽm - Không khí

So với nhiều loại pin khác, pin Kẽm - Không khí có mật độ năng lượng, tỷ lệ năng lượng riêng (và khối lượng riêng) thuận lợi do sử dụng không khí làm nguồn phản ứng. Trong vài năm qua, pin sạc Kẽm - Không khí đã được chú ý nhiều như một công nghệ đầy hứa hẹn để lưu trữ năng lượng xanh. Một trong những thách thức mở ra chính vẫn là thiết kế các lớp khuếch tán khí hiệu quả (Gas diffuse layer - GDL) để tăng tốc độ khuếch tán oxy và vòng đời của pin kim loại - không khí. Nói chung, GDL là các màng mỏng và phẳng với cấu trúc đa lớp xốp. Cấu trúc đa lớp này đòi hỏi một quy trình sản xuất phức tạp khiến quá trình sản xuất thương mại GDLs trở nên tốn nhiều công sức. Để khắc phục vấn đề này, các nghiên cứu đang diễn với mục tiêu tạo ra các cấu trúc xốp phân cấp 3D với các hình dạng và hình học khác nhau bằng cách kết hợp giữa đúc đông lạnh và đúc dải. Là vật liệu được lựa chọn, ceramic polyme có nguồn gốc silicon (PDC) được sử dụng rộng rãi để chế tạo GDL do kích thước lỗ xốp, hình thái lỗ, đặc tính bề mặt và độ dẫn điện có thể thay đổi được. Gần đây, bằng cách áp dụng kỹ thuật đúc dải đông lạnh, Wilhelm và các cộng sự đã phát triển một màng ceramic xốp dẫn điện mới có tính kỵ nước cao làm cathode GDL cho pin Kẽm - Không khí, giúp nâng cao đáng kể tuổi thọ pin. 

Trong công trình này, đầu tiên các tác giả đã chế tạo cấu trúc hai lớp với độ dày 390 μm và độ mở xốp 55%, sau đó đưa vào chất độn dẫn điện (than chì và ống nano cacbon) cũng như một lớp phủ siêu kỵ nước (polytetrafluoroethylen (PTFE)) để cải thiện độ dẫn điện và tính kỵ nước, tương ứng. Ceramic GDL được sản xuất bằng cách sử dụng phương pháp đúc dải đông lạnh như trong Hình 1. Polymer preceramic đầu tiên được hòa tan trong cyclohexan, sau đó bổ sung tác nhân tạo liên kết chéo và chất độn dẫn điện. Sau khi đúc dải, màng đúc được đông khô và nhiệt phân để thu được màng xốp cuối cùng.

Hình 1: Quy trình chuẩn bị lớp khuếch tán khí ceramic bằng phương pháp đúc dải đông lạnh.

Để nghiên cứu các đặc tính bề mặt của GDL, họ đã tiến hành đo góc tiếp xúc với hệ thống phân tích quang học OCA (DataPhysics Instruments, Germany). Như trong Hình 2, việc bổ sung chất độn làm cho bề mặt kỵ nước hơn một chút (~ 72,2°, ~ 87,6°), trong khi Ceramic GDL không độn cho thấy bề mặt ưa nước (~ 48,8°). Việc phủ các GDL bằng PTFE tạo nên bề mặt kỵ nước (~ 120,2°, ~ 137,5°) mà có thể đạt đến mức tương đương với bề mặt đã được thương mại hoá với góc tiếp xúc với nước ~ 144,1°. Độ xốp của GDL mới có thể đạt tới 55%, thậm chí cao hơn GDL thương mại (50-52%).

Hình 2: Góc tiếp xúc với nước của các mẫu ceramic khác nhau

Hiệu suất của các GDL mới trong pin Kẽm - Không khí được đánh giá bằng cách tiến hành các phép đo nạp nhả điện quét thế tĩnh galvano dẫn (Bảng 1).

Bảng 1: Các tính chất điển hình của ceramic khuếch tán khí cùng với hiệu suất của pin Kẽm - Không khí

*Pt-Ru / C được sử dụng làm chất xúc tác catot cho pin Kẽm - Không khí

Đặc biệt GDL MK40Gr50 / PTFE được phủ PTFE có khả năng lưu thông khí lâu hơn, xả hơn 48 giờ và sở hữu dung lượng riêng cao hơn (625 mAh g-1) so với GDL thương mại (542 mAh g-1). Do cấu trúc giống như miếng bọt biển đối xứng, các ceramic GDL còn sở hữu tỷ lệ trao đổi oxy được cải thiện và các con đường ngắn hơn cho quá trình động học ion oxy - / electron, và do đó thể hiện vòng đời vượt trội hơn 200 chu kỳ và nhả điện hoàn toàn trong 48 giờ, vượt trội so với GDL thương mại. Hơn nữa, các ceramic GDL không có sự thay đổi hình thái ngay cả sau 200 chu kỳ do cấu trúc hai lớp được sắp xếp cao trên bề mặt siêu kỵ nước. Các GDL gốm MK40Gr50 / PTFE và MK50Gr45CNT5 / PTFE sở hữu dung lượng, tiềm năng hoạt động và khả năng đảo ngược đã được báo cáo cao nhất cho đến thời điểm này. Sự kết hợp tốt giữa độ xốp, độ dẫn điện và tính kỵ nước đều đóng vai trò quan trọng để có được GDL tuyệt vời trong việc cải thiện hiệu suất pin Kẽm - Không khí.

Tổng kết, các tác giả đã chế tạo ceramic GDL mới bằng cách sử dụng một quy trình sản xuất dễ dàng hơn nhiều so với quy trình thương mại — kỹ thuật đúc dải đông lạnh đặc biệt. Độ xốp, độ dẫn điện và tính kỵ nước của các ceramic GDL đã được cải thiện đáng kể bằng cách đưa vào các chất độn dẫn điện (than chì và ống nano cacbon) và lớp phủ kỵ nước (polytetrafluoroethylene (PTFE)). Công việc này làm sáng tỏ việc thiết kế các ceramic GDL xốp phân cấp 3D với hiệu suất pin Kẽm - Không khí tuyệt vời để cạnh tranh với các GDL thương mại trong tương lai.

Hệ thống phân tích góc tiếp xúc quang học OCA (DataPhysics Instruments GmbH, Germany) đã được sử dụng trong nghiên cứu này.

Nguồn:

1. A new silicon oxycarbide based gas diffusion layer for zinc-air batteries; Prabu Moni, Amanda Deschamps, Daniel Schumacher, Kurosch Rezwan, Michaela Wilhelm; Journal of Colloid and Interface Science 2020, 577, 494-502; DOI: 10.1016/j.jcis.2020.05.041


Cần hỗ trợ thêm thông tin, Quý khách vui lòng liên hệ:

Hoặc để lại tin nhắn như form bên dưới: