Các nhà khoa học phát hiện ra tiềm năng tạo nên pin Lithium mật độ siêu cao từ graphene

Các nhà khoa học phát hiện ra tiềm năng tạo nên pin Lithium mật độ siêu cao từ graphene
Theo: Nguyễn Hải Theo Trí Thức Trẻ
Thể loại: Khoa Học Công Nghệ
Mật độ lưu trữ Lithium trong dải graphene còn cao hơn cả mật độ Lithium cao nhất hiện nay dưới dạng Carbua ở điều kiện thường - một phát hiện vượt quá cả kỳ vọng của các nhà nghiên cứu.

Các nỗ lực phát triển công nghệ pin thường xoay quanh việc cải thiện mật độ năng lượng, nghĩa là chúng ta muốn tạo ra một viên pin có thể chứa nhiều năng lượng trong một thể tích nhỏ, nhưng lại không gây bắt lửa hoặc phát nổ.

Trong khi đó, cho dù các viên pin hiện đại có thể xem như một phép màu đối với loại pin axit chì cổ đại, nhưng chúng vẫn có mật độ năng lượng trên khối lượng thấp hơn cả gỗ. Về cơ bản, chúng ta vẫn chưa thể đóng gói đủ số nguyên tử vào một thể tích nhỏ để cạnh tranh lại với các nhiên liệu hydrocarbon. Nhưng giờ đây với nguyên liệu graphene – cuộc chơi có thể đang thay đổi.

Kim loại vô hình

Cho dù có nhiều cách khác nhau để chế tạo pin Lithium-Ion, nhưng nó đều diễn ra theo cách thức như sau: lithium được lưu trữ dưới một dạng nào đó ở điện cực. Khi Lithium giải phóng ra một ion, nó sẽ đi tới một điện cực khác và phản ứng. Cùng lúc đó, các electron sẽ di chuyển ra bên ngoài hệ qua một điện cực khác, trao đổi điện năng và kết thúc tại một điện cực khác, nơi chúng hoàn tất phản ứng.

Các nhà khoa học phát hiện ra tiềm năng tạo nên pin Lithium mật độ siêu cao từ graphene - Ảnh 1.

Quá trình sạc xả của pin Lithium-Ion thông thường.

Điều mấu chốt ở đây là Lithium thường được chứa trong một hợp chất Lithium Carbua mật độ thấp và nhẹ. Tìm được vật liệu khác có thể tăng mật độ Lithium cũng là một cách giúp gia tăng dung lượng pin.

Nhưng đây chính là vấn đề. Lithium là một nguyên tố rất nhẹ. Còn Carbon, một thành phần quan trọng khác của pin, cũng là một nguyên tố nhẹ. Nếu nhìn trên kính hiển vi điện tử, bạn sẽ thấy chúng gần như giống hệt nhau. Điều này làm việc giám sát các nguyên tử Lithium hình thành nên điện cực như thế nào trở nên khó khăn hơn và cũng như khó thấy được các biến thể về cấu trúc khi nó được lưu trữ (hoặc các cấu trúc này biến đổi như thế nào khi nó bị loại bỏ).

Tuy nhiên còn một thách thức khác nữa. Các kính hiển vi điện tử thường sử dụng các electron năng lượng cao để tạo hình ảnh. Năng lượng của các electron này có thể đủ để phá vỡ cấu trúc giữa các nguyên tử Carbon và Lithium đang quan sát. Nghĩa là vào thời điểm bạn tạo nên hình ảnh, bạn cũng phá hủy luôn cả cấu trúc mình muốn khảo sát.

Vì vậy, một nhóm các nhà khoa học đã nghiên cứu với một loại kính hiển vi điện tử truyền dẫn (transmission electron microscopy) được thiết kế để hoạt động bằng các electron năng lượng thấp. Kính hiển vi này vẫn có đủ độ phân giải để thấy từng nguyên tử riêng lẻ, vì vậy có thể xác định được cấu trúc phân tử.

Các nhà khoa học phát hiện ra tiềm năng tạo nên pin Lithium mật độ siêu cao từ graphene - Ảnh 2.

Cấu tạo một kính hiển vi điện tử truyền dẫn.

Bằng cách khảo sát mức năng lượng các electron mất đi khi chúng đi qua vật mẫu, các nhà nghiên cứu có thể hình dung ra bên trong của vật mẫu này. Cuối cùng thời gian tạo nên hình ảnh cũng đủ dài (khoảng 1 giây) để các nhà nghiên cứu có thể quan sát việc hình thành và phân rã của các cấu trúc đang được viên pin sử dụng.

Miếng sandwich kẹp Lithium

Do kính hiển vi điện tử truyền dẫn này cần các electron từ kính hiển vi phải xuyên qua vật mẫu, nên lớp Carbon Lithium cần phải rất mỏng. Các nhà nghiên cứu sử dụng một dải graphene gồm hai lớp (graphene là một lớp đơn các nguyên tử carbon được sắp xếp theo mô hình tổ ong). Một điện cực nhỏ chứa các ion Lithium được đặt ở một phía của dải graphene.

Một loạt các điện cực như vậy sẽ được đặt dọc dải graphene để đo lường và thiết lập điện thế. Điện thế này được sử dụng để đưa các ion Lithium vào dải graphene và cho phép nó dịch chuyển qua lại. Khi các ion Lithium được tích lũy đủ trên dải graphene, điện trở sẽ sụt giảm, cho phép hình thành nên một điện cực thứ hai – dấu hiệu cho sự xuất hiện Lithium.

Các nhà khoa học phát hiện ra tiềm năng tạo nên pin Lithium mật độ siêu cao từ graphene - Ảnh 3.

Các ion Lithium dịch chuyển giữa hai lớp graphene.

Không khó để thấy các nhà nghiên cứu đã ngạc nhiên như thế nào. Họ nhận ra các ion Lithium dịch chuyển rất nhanh trong khoảng trống giữa hai dải graphene. Khối lượng Lithium cũng cao một cách đáng ngạc nhiên.

Bằng cách giám sát cấu trúc và thành phần nguyên tố, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng Lithium không tạo thành hợp chất Carbua Lithium. Thay vào đó, nó tạo thành nhiều lớp tinh thể Lithium với chỉ một lớp ngoài cùng liên kết với Carbon. Nhưng Lithium kim loại không tồn tại ở dạng thường. Thay vào đó, Lithium hình thành nên trạng thái mật độ cao, vốn thường xuất hiện ở nhiệt độ thấp hoặc áp suất rất cao.

Vẫn quá sớm để lạc quan

Cho dù điều này rất thú vị nhưng nó thực sự vẫn chưa cho thấy sự hữu ích. Đầu tiên, Lithium mật độ cao chỉ hình thành giữa hai tấm graphene gần như hoàn hảo, không phải loại graphene bạn có thể mua từ các nhà sản xuất. Quả thật, ở gần những cạnh không hoàn hảo của dải graphene, năng lượng từ các electron của kính hiển vị điện tử cũng đủ để làm sôi kim loại Lithium.

Ngay cả khi chúng ta có đủ lượng graphene chất lượng cao, cũng không chắc lượng Lithium sẽ khuếch tán đủ sâu vào graphene để cho một chu kỳ sạc điện. Không khó để hình dung ra rằng, những ion Lithium đầu tiên có thể kết thành một khối để ngăn các ion Lithium còn lại rời khỏi "miếng sandwich" trên.

Cũng không chắc rằng dải graphene sẽ tồn tại đủ lâu trong quá trình này. Đây cũng là một trong những vấn đề chính với pin có liên quan đến các kim loại Lithium: các điện cực sẽ tự phá hủy sau một số chu kỳ nào đó. Chúng ta vẫn chưa biết liệu graphene có tồn tại lâu hơn các điện cực hiện tại hay không.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu vẫn chưa trình diễn công nghệ pin mới này. Thay vào đó, nó là một ví dụ tuyệt vời cho thấy, việc thực hiện các thí nghiệm cần thiết có thể dẫn tới các khám phá thú vị như thế nào. Và nếu chúng ta may mắn, cuối cùng điều đó có thể giúp chúng ta tạo ra những loại pin tốt hơn.

Tham khảo Arstechnica

Bị chó cắn, nam sinh chế tạo thiết bị đuổi chó cực kỳ hiệu quả

tinybook tinybook 1 tuần 18 giờ
Bị chó cắn, nam sinh chế tạo thiết bị đuổi chó cực kỳ hiệu quả
Sau khi nghiên cứu, Minh đã khảo sát tình hình thực tiễn và có kết quả đáng mừng: “Em đã tiến khảo sát và tiến hành thử nghiệm 3 lần trên đàn chó tại nhà bác Lê Văn Long (Bắc Ninh) cho kết quả tốt. Ở ngưỡng âm thanh 40 kHz (120 dB), đàn chó phản ứng, lùi lại dần, 9 con bỏ chạy...".

Các nhà khoa học vừa quay ngược thời gian thành công bằng máy tính lượng tử

tinybook tinybook 1 tuần 20 giờ
Các nhà khoa học vừa quay ngược thời gian thành công bằng máy tính lượng tử
Cỗ máy du hành thời gian của Doraemon liệu có phải là một cỗ máy tính lượng tử?

10 bộ phim Hollywood mô tả chính xác nhất về hiện thực của trí tuệ nhân tạo (P1)

tinybook tinybook 1 tuần 1 ngày
10 bộ phim Hollywood mô tả chính xác nhất về hiện thực của trí tuệ nhân tạo (P1)
Danh sách 10 bộ phim có nội dung về trí tuệ nhân tạo này sẽ giúp bạn có thể tìm hiểu cách con người tưởng tượng ra sao về AI trong tương lai và tính hiện thực của AI trong thời đại ngày nay.

Nhật Bản tiến một bước gần hơn tới việc hồi sinh voi ma mút

tinybook tinybook 1 tuần 1 ngày
Nhật Bản tiến một bước gần hơn tới việc hồi sinh voi ma mút
Từ xác con voi mammoth Yuka nằm lại trong băng vĩnh cửu, ta có được những đột phá mới.

Những hình ảnh cuối cùng về "voi nữ hoàng" của Kenya với đôi ngà đẹp nhất thế giới, chạm tới đất

tinybook tinybook 1 tuần 1 ngày
Những hình ảnh cuối cùng về "voi nữ hoàng" của Kenya với đôi ngà đẹp nhất thế giới, chạm tới đất
Trong hơn 60 năm, con voi được biết đến với cái tên kỳ lạ F_MU1 đã có những cuộc hành trình xuyên suốt vùng đồng bằng Tsavo, Kenya.

Câu đố triệu đô bất khả thi: máy tính cũng phải mất tới vài ngàn năm mới tìm ra câu trả lời

tinybook tinybook 1 tuần 1 ngày
Câu đố triệu đô bất khả thi: máy tính cũng phải mất tới vài ngàn năm mới tìm ra câu trả lời
Thậm chí nếu bạn chứng minh được câu đố này bất khả thi với một cỗ máy, bạn cũng nhận được giải thưởng 1 triệu USD.

[Việt sub] Thiếu niên 15 tuổi tính nhanh hơn máy, gây sốc với BGK Asia's Got Talent

tinybook tinybook 1 tuần 2 ngày
[Việt sub] Thiếu niên 15 tuổi tính nhanh hơn máy, gây sốc với BGK Asias Got Talent
Dù bạn tin hay không, thiên tài vẫn tồn tại.

Xem khoảnh khắc tàu vũ trụ Hayabusa 2 của Nhật Bản đáp xuống tiểu hành tinh từng hình thành cùng Hệ Mặt Trời

tinybook tinybook 1 tuần 3 ngày
Xem khoảnh khắc tàu vũ trụ Hayabusa 2 của Nhật Bản đáp xuống tiểu hành tinh từng hình thành cùng Hệ Mặt Trời
Sau khi hạ cánh, tàu thăm dò Hayabusa 2 của Nhật đã ngay lập tức bắn một viên đạn lên bề mặt đất nhằm mục đích thu thập nhiều mảnh đá vỡ trên Ryugu, tiểu hành tinh được cho đã xuất hiện từ thời hình thành Hệ Mặt Trời.

Độc đáo ý tưởng lốp xe kiêm cánh quạt, vừa là bánh xe đi trên mặt đất nhưng cũng có thể biến thành cánh quạt khi bay

tinybook tinybook 1 tuần 3 ngày
Độc đáo ý tưởng lốp xe kiêm cánh quạt, vừa là bánh xe đi trên mặt đất nhưng cũng có thể biến thành cánh quạt khi bay
Hãng sản xuất lốp xe hơi nổi tiếng Goodyear mới đây vừa chia sẻ một ý tưởng lốp xe bay thú vị, có thể chuyển đổi và hoạt động được cả trên mặt đất lẫn trên không.

Chuyện gắn giáp vào máy bay trong Đệ nhị Thế chiến và giả thuyết mang tên "Thiên vị sống sót"

tinybook tinybook 1 tuần 4 ngày
Chuyện gắn giáp vào máy bay trong Đệ nhị Thế chiến và giả thuyết mang tên "Thiên vị sống sót"
Nếu bạn trả lời sai, bạn đã mắc lỗi giống những nhà nghiên cứu và phân tích dữ liệu hàng đầu thời Chiến tranh Thế giới Thứ hai.

Tháp cao 100 mét này là cách Trung Quốc giải quyết được ô nhiễm không khí: giá 2 triệu đô/cái, tạo 10 triệu mét khối không khí sạch mỗi ngày

tinybook tinybook 1 tuần 4 ngày
Tháp cao 100 mét này là cách Trung Quốc giải quyết được ô nhiễm không khí: giá 2 triệu đô/cái, tạo 10 triệu mét khối không khí sạch mỗi ngày
Tháp lọc khí tại Tây An, Trung Quốc được coi là cỗ máy lọc khí lớn nhất thế giới hiện nay và nó đang góp phần giúp thanh lọc không khí và làm giảm ô nhiễm không khí cho cả một thành phố khỏi khói bụi độc hại.

Hỏi khó: Tại sao ngựa vằn lại có vằn? Nghe giáo sư giải thích xong mới thấy hóa ra đơn giản đến ngây người

tinybook tinybook 1 tuần 4 ngày
Hỏi khó: Tại sao ngựa vằn lại có vằn? Nghe giáo sư giải thích xong mới thấy hóa ra đơn giản đến ngây người
Vằn trên mình ngựa cũng giống đề-can dán trên xe đua: chúng không có tác dụng làm vật thể chạy nhanh hơn đâu.

Hai thanh niên cố gắng chứng minh Trái Đất phẳng và cái kết đắng, đừng bao giờ coi thường khoa học!

tinybook tinybook 1 tuần 4 ngày
Hai thanh niên cố gắng chứng minh Trái Đất phẳng và cái kết đắng, đừng bao giờ coi thường khoa học!
"Thú vị thật ...", anh Jeran lẩm bẩm, không tin vào mắt mình.

Cận cảnh chiếc máy bay lớn nhất thế giới do nhà đồng sáng lập Microsoft xây dựng

tinybook tinybook 1 tuần 4 ngày
Cận cảnh chiếc máy bay lớn nhất thế giới do nhà đồng sáng lập Microsoft xây dựng
Chiếc máy bay này có kích cỡ "khủng" đến mức nó cần có 2 thân máy bay với 2 buồng lái riêng biệt.

Khám phá được bí ẩn căn bệnh Stephen Hawking mắc phải

tinybook tinybook 1 tuần 4 ngày
Khám phá được bí ẩn căn bệnh Stephen Hawking mắc phải
Các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện ra bí ẩn của chứng xơ cứng teo cơ một bên - căn bệnh mà nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking mắc phải - là do protein đột biến ubiquilin ngừng điều chỉnh hoạt động của lysosome - thành phần tế bào chịu trách nhiệm xử lý chất thải trao đổi chất. Phát hiện này có thể mở ra hướng phát triển phương pháp điều trị cho căn bệnh đánh vào khoảng 200.000 người trên toàn thế giới.

"Quái vật" rắn độc dị biệt nhất hành tinh: Chuyên cắn người đang ngủ say, nọc làm tan máu

tinybook tinybook 1 tuần 4 ngày
"Quái vật" rắn độc dị biệt nhất hành tinh: Chuyên cắn người đang ngủ say, nọc làm tan máu
Rắn Mulga là loài rắn độc sở hữu những đặc điểm đáng sợ nhất trong tự nhiên ở nước Úc.

Tìm hiểu về xe tăng Maus - phát minh "điên rồ" từng được kỳ vọng sẽ thay đổi cục diện Thế chiến thứ hai

tinybook tinybook 1 tuần 5 ngày
Tìm hiểu về xe tăng Maus - phát minh "điên rồ" từng được kỳ vọng sẽ thay đổi cục diện Thế chiến thứ hai
Nhiều sử gia tin rằng, nếu xe tăng Maus của Đức quốc xã, cỗ máy chiến được mệnh danh là “mẹ của các loại xe tăng” này có cơ hội tham chiến, có lẽ cục diện của Thế chiến thứ hai đã thay đổi hoàn toàn.

Mười năm nữa, NASA sẽ đưa loài người trở lại Mặt trăng

tinybook tinybook 1 tuần 5 ngày
Mười năm nữa, NASA sẽ đưa loài người trở lại Mặt trăng
Kế hoạch cho năm 2019 là bước đầu để thực hiện mục tiêu đưa các phi hành gia trở lại mặt trăng của NASA vào năm 2028.

Hình chụp Sao Hỏa từ vệ tinh cho thấy vết tích những dòng sông cổ có tuổi thọ cả tỷ năm

tinybook tinybook 1 tuần 5 ngày
Hình chụp Sao Hỏa từ vệ tinh cho thấy vết tích những dòng sông cổ có tuổi thọ cả tỷ năm
Giữa vô số các miệng hố trên bề mặt Sao Hỏa, hình ảnh vệ tinh cho thấy các hệ thống phân nhánh của rãnh và thung lũng, những vết tích có thể do dòng nước tồn tại từ lâu để lại.

Chuyên gia Vũ trụ Nga trầm trồ trước tàu Crew Dragon của Elon Musk: "Roscosmos trông như một cơ quan vũ trụ yếu đuối"

tinybook tinybook 1 tuần 5 ngày
Chuyên gia Vũ trụ Nga trầm trồ trước tàu Crew Dragon của Elon Musk: "Roscosmos trông như một cơ quan vũ trụ yếu đuối"
Cơ quan Vũ trụ Nga Roscosmos lên tiếng tán dương thành tựu của NASA và SpaceX.

Ngạc nhiên chưa? Phụ kiện camera 2bit của Game Boy chụp ảnh thiên văn cực rõ nét, nhìn thấy cả hố lớn trên bề mặt Mặt Trăng

tinybook tinybook 1 tuần 6 ngày
Ngạc nhiên chưa? Phụ kiện camera 2bit của Game Boy chụp ảnh thiên văn cực rõ nét, nhìn thấy cả hố lớn trên bề mặt Mặt Trăng
Với cảm biến CMOS 2-bit cùng độ phân giải chỉ 128 x 112 pixel thì kết quả mà nó đem lại quả là tuyệt vời.

Những sinh vật biển phát sáng tuyệt đẹp của đáy Thái Bình Dương sẽ khiến bạn mê mẩn

tinybook tinybook 2 tuần 9 giờ
Những sinh vật biển phát sáng tuyệt đẹp của đáy Thái Bình Dương sẽ khiến bạn mê mẩn
Bộ sưu tập tuyệt đẹp bao gồm bạch tuộc màu cam, tôm hùm gai, bướm biển, mực kim cương..

Xuất hiện bệnh nhân thứ 3 trên thế giới được chữa khỏi HIV

tinybook tinybook 2 tuần 22 giờ
Xuất hiện bệnh nhân thứ 3 trên thế giới được chữa khỏi HIV
Người bệnh này được chữa trị bằng phương pháp cấy tế bào gốc.

Vì sao Warren Buffett được coi là nhà đầu tư giỏi nhất thế giới với lợi nhuận 20%/năm trong khi nhiều người có thể đạt mức 100/200%?

tinybook tinybook 2 tuần 1 ngày
Vì sao Warren Buffett được coi là nhà đầu tư giỏi nhất thế giới với lợi nhuận 20%/năm trong khi nhiều người có thể đạt mức 100/200%?
Nhà đầu tư vĩ đại Warren Buffett đạt lợi nhuận trung bình hàng năm khoảng 20%. Còn bạn thì sao? Bạn đầu tư đạt lợi nhuận cao hơn nhưng liệu bạn có giỏi hơn Warren Buffett?

Giải mã mật khẩu siêu dị "ji32k7au4a83": nhìn thì kinh nhưng thật ra vô cùng yếu

tinybook tinybook 2 tuần 1 ngày
Giải mã mật khẩu siêu dị "ji32k7au4a83": nhìn thì kinh nhưng thật ra vô cùng yếu
Câu chuyện đằng sau "ji32k7au4a83" dài và lằng nhằng lắm.

Phát hiện "Thuốc Trường Sinh" trong hầm mộ 2.000 năm tuổi tại Trung Quốc

tinybook tinybook 2 tuần 2 ngày
Phát hiện "Thuốc Trường Sinh" trong hầm mộ 2.000 năm tuổi tại Trung Quốc
Một chất lỏng màu vàng được tìm thấy trong một chiếc hũ đồng có niên đại đến 2.000 năm tuổi, và theo các nhà khảo cổ học Trung Quốc, đó không phải là rượu.

Nông nghiệp đã suýt chút nữa phá hủy nền văn minh nhân loại, đây là lý do tại sao

tinybook tinybook 2 tuần 2 ngày
Nông nghiệp đã suýt chút nữa phá hủy nền văn minh nhân loại, đây là lý do tại sao
Nông nghiệp là thứ "công nghệ" quá tiên tiến so với não bộ của người dân Thời kỳ Đồ đá.

Tesla Roadster chính thức là chiếc xe đi xa nhất trong lịch sử nhân loại sau khi được Elon Musk gửi vào vũ trụ 1 năm trước

tinybook tinybook 2 tuần 3 ngày
Tesla Roadster chính thức là chiếc xe đi xa nhất trong lịch sử nhân loại sau khi được Elon Musk gửi vào vũ trụ 1 năm trước
Năm 2091, chiếc Tesla Roadster sẽ bay đủ gần Trái Đất để ta chiêm ngưỡng. Mong sao đa số chúng ta sẽ sống tới lúc đó, hoặc chiếc xe chưa bị phá hủy.

Hỏi khó: Tại sao Microsoft đặt tên hệ điều hành là Windows?

tinybook tinybook 2 tuần 3 ngày
Hỏi khó: Tại sao Microsoft đặt tên hệ điều hành là Windows?
Dùng hàng ngày, nhưng bạn còn không thèm hỏi tại sao người anh em Windows lại ... có tên là Windows.

Cậu bé 12 tuổi giải thích vì sao thay vì chơi game ở độ tuổi này, cậu lại đi chế tạo lò phản ứng hợp hạch

tinybook tinybook 2 tuần 3 ngày
Cậu bé 12 tuổi giải thích vì sao thay vì chơi game ở độ tuổi này, cậu lại đi chế tạo lò phản ứng hợp hạch
"Em nhận thấy hóa ra có những thứ tưởng như bất khả thi với tầm tuổi mình nhưng lại hoàn toàn dễ thực hiện", Jackson Oswalt nói về thành tựu hợp hạch của mình.
tinybook Công Nghệ Thông Tin








Chat