Có rất nhiều những đồ vật tưởng chừng như rất đơn giản , dễ mua, dễ dùng. Nhưng thực chất, chúng đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người.Pin chính là một minh chứng rõ ràng nhất.
Thật không sai khi nói tác dụng của pin thật sự rất quan trọng. Hãy thử nghĩ xem, nếu như mọi thứ bạn sử dụng đều phải có dây điện nối tới các ổ cắm thì thật là cồng kềnh phải không nào. Các thiết bị điện thoại, đồng hồ, điều khiển,..đều phải cần cắm điện thì thật sự rất bất tiện. Và không thể phủ nhận rằng pin đã giải quyết được vấn đề đó.
Nhưng pin cũng có hạn chế của nó. Pin chỉ có thể sử dụng một lần và phải thay liên tục. Đây là một câu hỏi khó cho các nhà nghiên cứu vì đặc điểm cấu tạo của pin là như thế. Tuy nhiên, mới đây, đã có nhóm nghiên cứu đưa ra kết quả rằng có thể giải quyết được vấn đề này.
Cấu tạo của pin kiềm kẽm
Mô tả hóa học của pin kiềm kẽm bề ngoài khá đơn giản. Lá kim loại kẽm có vai trò như một điện cực, 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. Chúng phá vỡ phân tử và cho phép hình thành oxit kẽm. Tuy nhiên lại có sự cố nằm ở trung gian phản ứng. Chất trung gian quan trọng trong trường hợp này là ion hydroxyl. Chất này được hình thành tự nhiên trong pH kiềm của chất điện phân gốc nước. Nó tham gia vào các phản ứng với kẽm. Đặc biệt là không phản ứng trực tiếp với oxy trong không khí.
Vấn đề đến từ các ion hydroxit
Các ion hydroxit đó là nguồn gốc của một trong những vấn đề với pin kẽm không khí. Chúng là chất trung gian trong các phản ứng chuyển carbon dioxide thành cacbonat.Tại nơi oxy phản ứng, các muối cacbonat này phủ lên điện cực và cuối cùng chặn nó lại. Thay thế không khí bằng oxy tinh khiết có thể hạn chế được vấn đề này, tuy nhiên việc đó chỉ giúp kéo dài thời gian tồn tại đến khoảng 10 chu kỳ hoặc lâu hơn.
Đây không chỉ đơn giản là vấn đề thay đổi độ pH của dung dịch điện phân. Các ion hydroxit hình thành trong nước ở độ pH trung tính và thậm chí có cả tính axit. Trong điều kiện bình thường, sự phân hủy oxy ở điện cực không khí sẽ xảy ra thông qua chất trung gian hydroxit.
Nghiên cứu và giải quyết
Vấn đề chất trung gian
Từ những nguyên nhân trên, các nhà nghiên cứu và tìm hiểu. Họ đã thay thế các điều kiện kiềm bằng một chất điện phân có phần kỵ nước hoặc đẩy nước. Triflat chính là hóa chất được dùng.
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. Lúc này, 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. Sử dụng chất điện phân mới, các chất trung gian hydroxit sẽ ngừng hình thành. Kết quả cho thấy, 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).
Hơn thế nữa, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra sự hình thành các sợi kẽm peroxide . Chúng hình thành khi thải ra ngoài và biến mất trong quá trình sạc lại. Họ cũng phát hiện được những thay đổi áp suất liên quan đến oxy 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.
Vấn đề về chọn kim loại làm lõi
Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là mọi vấn đề đã hoàn toàn được giải quyết. 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. Chúng ta sẽ bắt đầu phá vỡ cấu trúc nước khi tăng mật độ sạc nhiều hơn . 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.
Tuy nhiên, lưu trữ cho lưới điện không cần tốc độ phóng điện nhanh từ các pin riêng lẻ. Điều quan trọng miễn là có đủ pin để đáp ứng nhu cầu dung lượng. Và ở đây, kẽm là lựa chọn tốt nhất bởi nó có giá thấp hơn một phần tư so với lithium cacbonat. Thêm vào đó, việc có sẵn kẽm để đáp ứng các nhu cầu khác. Điều này 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 cũng có thể sử dụng kim loại khácbao gồm magiê và nhôm để thay thế. 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.
Lưu ý khi sử dụng pin kiềm
Dựa vào tính chất của pin kiềm, khi sử dụng pin kiềm ta cần chú ý các điểm sau đây. Một là pin kiềm dùng hết thì không thể nạp điện lần thứ hai. Vì nó không phải là ăcquy, cũng không được gia nhiệt, không được sấy khô. Làm như thế sẽ rất nguy hiểm. Hai là không được tháo, mở pin kiềm, không được chọc thủng vỏ pin. Dung dịch kiềm trong pin sẽ chảy ra làm ăn da, làm thủng quần áo. Vì dung dịch kiềm có tính ăn mòn mạnh đối với da và quần áo.
Nguồn: khoahoctv.vn
Nếu như pin không khí kẽm có thể thành công ra đời, chắc chắn sẽ giải quyết được những bất tiện trong cuộc sống. Cùng chờ đợi xem phát minh này sẽ đi đến đâu nhé!
