Hầu hết các loại pin dùng một lần về mặt kỹ thuật là pin kiềm. Chúng hoạt động ở độ pH cao và thường sử dụng kẽm làm chất mang điện tích. Kẽm là lựa chọn tốt vì nó rất rẻ, có thể được sử dụng để chế tạo một trong hai điện cực, và trong bối cảnh phù hợp, cho phép sử dụng không khí ở điện cực kia. Hai điều sau đã đơn giản hóa pin, cho phép nó trở nên nhỏ gọn hơn và có trọng lượng nhẹ hơn.
Nhưng vấn đề là loại pin này chỉ có thể dùng một lần vì lý thuyết hóa học không cho phép mọi thứ hoạt động ngược lại. Khí cacbonic từ không khí phản ứng với chất điện phân, tạo thành các muối cacbonat chặn một điện cực lại. Và kẽm cũng không tích tụ lại một cách gọn gàng trên điện cực mà nó sinh ra, thay vào đó tạo ra các cấu trúc có gai gọi là đuôi gai và có thể làm cạn pin.
Tuy nhiên mới đây, một nhóm nghiên cứu quốc tế đã tìm ra cách chế tạo pin kẽm có thể sạc lại được.
Pin dùng một lần thường là pin kiềm, dùng kẽm làm chất mang điện tích.
Đường một chiều của hóa chất
Bề ngoài, mô tả hóa học của pin kiềm kẽm khá đơn giản. Lá kim loại kẽm đóng vai trò như một điện cực, với mỗi ion kẽm giải phóng hai điện tử. Ở điện cực khác, các phân tử oxy trong không khí nhận bốn trong số các điện tử này, phá vỡ phân tử và cho phép hình thành oxit kẽm. Nhưng "ma quỷ" lại nằm ở trung gian phản ứng. Trong trường hợp này, chất trung gian quan trọng là ion hydroxit, được hình thành tự nhiên trong pH kiềm của chất điện phân gốc nước. Nó tham gia vào một số phản ứng với kẽm, không phản ứng trực tiếp với oxy trong không khí.
Các ion hydroxit đó cũng là nguồn gốc của một trong những vấn đề với pin kẽm không khí, vì chúng cũng là chất trung gian trong các phản ứng chuyển carbon dioxide thành cacbonat. Các muối cacbonat này phủ lên điện cực nơi oxy phản ứng và cuối cùng chặn nó lại. Điều này có thể tránh được ở một mức độ nào đó bằng cách thay thế không khí bằng oxy tinh khiết, nhưng việc đó chỉ giúp kéo dài thời gian tồn tại đến khoảng 10 chu kỳ hoặc lâu hơn.
Các nhà khoa học cho rằng xử lý các ion hydroxit sẽ không nhất thiết phải giải quyết được sự hình thành các đuôi gai trên tấm kim loại kẽm, thay vào đó có thể xử lý các vấn đề ở điện cực không khí.
Đây không chỉ đơn giản là vấn đề thay đổi độ pH của dung dịch điện phân, vì các ion hydroxit hình thành trong nước ở độ pH trung tính và thậm chí có tính axit. Và, trong điều kiện bình thường, sự phân hủy oxy ở điện cực không khí xảy ra thông qua chất trung gian hydroxit. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã thay thế các điều kiện kiềm bằng một chất điện phân có phần kỵ nước hoặc đẩy nước. Hóa chất mà họ đã sử dụng, trifluoromethanesulfonate, về cơ bản là một ion sulfat liên kết với một carbon có gắn ba fluorid. Phần cacbon-flo của phân tử đẩy nước, trong khi phần sunfat có thể tương tác với các ion kẽm.
Cách mọi thứ thay đổi
Việc chuyển sang chất điện phân mới này sẽ giúp ngăn chặn kẽm ở một mức độ nhất định. Nhưng quan trọng hơn là nó có tác động lớn đến phản ứng ở điện cực không khí. Ở đây, phản ứng bình thường liên quan đến việc chuyển bốn điện tử để phá vỡ một phân tử O2 thông qua chất trung gian hydroxit. Với chất điện phân mới được đổi chỗ, các chất trung gian hydroxit ngừng hình thành. Kết quả là, chỉ có hai điện tử được chuyển đến phân tử oxy, tạo ra một peroxit. Kết quả là, ZnO2 hình thành khi pin phóng điện, thay vì oxit kẽm (ZnO).
Quan trọng hơn, họ đã phát hiện ra sự hình thành các sợi kẽm peroxide khi thải ra ngoài và xác nhận rằng chúng biến mất trong quá trình sạc lại. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện những thay đổi áp suất liên quan đến oxy được kết hợp vào pin trong quá trình xả và giải phóng khi pin được sạc lại. Khi lá kẽm được sử dụng làm điện cực, hơn 80% kẽm đã được sử dụng để phóng điện. Thay thế nó bằng bột kẽm đã tăng mức sử dụng kẽm lên 94%.
Các kết quả thu được hoàn toàn khác nhau. Thay vì chết sau một vài chu kỳ, các nhà nghiên cứu đã xoay sở để sạc một viên pin trong 1.600 giờ. Trong hầu hết thời gian, việc hình thành đuôi gai không phải là vấn đề, và dung lượng trên mỗi trọng lượng ở mức cao gấp đôi so với một số loại pin lithium.
Thay vì chết sau một vài chu kỳ, các nhà nghiên cứu đã xoay sở để sạc một viên pin trong 1.600 giờ.
Tất nhiên, không phải là vấn đề về pin đã hoàn toàn được giải quyết. Vì pin phụ thuộc vào không khí nên nước trong chất điện phân sẽ bay hơi theo thời gian. Đuôi gai đã hình thành, cuối cùng làm cho cực dương kim loại kẽm không thể sử dụng được. Nhưng vấn đề lớn nhất có lẽ là tốc độ sạc, bởi một chu kỳ sạc - xả mất tới 20 giờ
Nếu tăng mật độ dòng điện lên gấp 10 thì pin chỉ chạy trong 160 giờ. Tăng mật độ sạc nhiều hơn thì chúng ta sẽ bắt đầu phá vỡ cấu trúc nước thay vì vận hành pin. Nhóm nghiên cứu gợi ý rằng chất xúc tác thúc đẩy sự hình thành peroxide có thể có khả năng tăng tốc độ sạc - xả.
Nhưng đó có thể không phải là vấn đề. Bởi lưu trữ cho lưới điện không nhất thiết cần tốc độ phóng điện nhanh từ các pin riêng lẻ, quan trọng miễn là có đủ pin để đáp ứng nhu cầu dung lượng. Và ở đây, kẽm có thể là một phần thưởng bởi nó có giá thấp hơn một phần tư so với lithium cacbonat, và đó là chỉ tính đối với kẽm nguyên chất. Thêm vào đó, việc có sẵn kẽm để đáp ứng các nhu cầu khác sẽ giải phóng lithium cho các mục đích sử dụng khác mang lại hiệu suất cao hơn thay vì làm pin.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng loại lý thuyết hóa học tương tự có thể hoạt động với các kim loại khác, bao gồm magiê và nhôm, và cả hai đều tương đối rẻ. Đây có thể là những lựa chọn thay thế tối ưu, nếu biết cân bằng giữa ưu điểm và nhược điểm, và chắc chắn chúng cũng sẽ không làm tăng tính cạnh tranh về nguồn cung cấp lithium.