Advanced Energy Materials

Pin lithium-ion (LIB) đã thống trị thị trường pin sạc toàn cầu nhờ khả năng cung cấp năng lượng và công suất vượt trội. Đặc biệt, vai trò của LIB trong việc hỗ trợ xe điện (EV) đã được nhấn mạnh nhằm thay thế các phương tiện sử dụng dầu hiện tại, qua đó giảm thiểu việc sử dụng tài nguyên dầu mỏ và sự thải ra khí CO₂. Khác với lithium, natri là một trong những nguyên tố phong phú hơn trên Trái Đất và thể hiện các tính chất hóa học tương tự như lithium, cho thấy rằng hóa học của natri có thể áp dụng cho một hệ thống pin tương tự. Trong những năm 1970-80, cả điện cực natri-ion và lithium-ion đã được nghiên cứu, nhưng mật độ năng lượng cao hơn của các tế bào lithium-ion đã làm cho chúng có ứng dụng nhiều hơn trong các thiết bị điện tử di động nhỏ gọn, và các nỗ lực nghiên cứu đối với pin sạc lại chủ yếu tập trung vào LIB từ đó đến nay. Gần đây, mối quan tâm nghiên cứu về pin natri-ion (NIB) đã được hồi sinh, được thúc đẩy bởi các ứng dụng mới có yêu cầu khác với các ứng dụng trong điện tử di động, và nhằm giải quyết mối lo ngại về sự phong phú của lithium. Bài viết này sẽ tóm tắt ngắn gọn cả hai loại vật liệu điện cực âm và dương trong NIB. Mặc dù điện áp thường thấp hơn và sự thay đổi thể tích khi natri được loại bỏ hoặc chèn vào lớn hơn đối với các điện cực tách hợp natri, so với các điện cực lithium tương ứng, nhưng khả năng cung cấp năng lượng có thể thay đổi tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể. Kết luận cho rằng NIB có chi phí thấp hơn có thể thay thế một phần LIB, nhưng vẫn cần thêm nghiên cứu và cải thiện.

Xúc tác quang được coi là một trong những phương pháp đầy hứa hẹn để giải quyết khủng hoảng năng lượng và môi trường thông qua việc sử dụng năng lượng mặt trời. Nitride carbon graphitic (g‐C₃N₄) đã thu hút sự chú ý rộng rãi trên toàn thế giới nhờ vào hoạt động trước ánh sáng nhìn thấy được, quá trình tổng hợp dễ dàng từ các vật liệu giá rẻ, độ ổn định hóa học và cấu trúc lớp độc đáo. Tuy nhiên, chất xúc tác quang g‐C₃N₄ nguyên chất vẫn gặp phải vấn đề về hiệu suất tách hợp thấp của các hạt mang điện được tạo ra từ quang điện, dẫn đến hoạt động xúc tác quang không đạt yêu cầu. Gần đây, các cấu trúc dị hợp dựa trên g‐C₃N₄ đã trở thành điểm nóng nghiên cứu do hiệu suất tách vận chuyển điện tích được cải thiện đáng kể và hiệu suất xúc tác quang. Theo các cơ chế chuyển giao khác nhau của các hạt mang điện được tạo ra từ quang điện giữa g‐C₃N₄ và các thành phần liên kết, các chất xúc tác quang dạng dị hợp dựa trên g‐C₃N₄ có thể được chia thành các loại sau: dị hợp loại II thông thường dựa trên g‐C₃N₄, dị hợp Z-scheme dựa trên g‐C₃N₄, dị hợp p-n dựa trên g‐C₃N₄, cấu trúc dị hợp g‐C₃N₄/kim loại, và cấu trúc dị hợp g‐C₃N₄/carbon. Bài báo này tổng hợp những tiến bộ quan trọng gần đây trong thiết kế các chất xúc tác quang dạng dị hợp dựa trên g‐C₃N₄ và các cơ chế tách/chuyển giao đặc biệt của các hạt mang điện được tạo ra từ quang điện. Hơn nữa, các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực môi trường và năng lượng, ví dụ như, tách nước, giảm carbon dioxide, và phân hủy các chất ô nhiễm cũng được xem xét. Cuối cùng, một số nhận xét kết luận và triển vọng về những thách thức và cơ hội để khám phá các chất xúc tác quang dạng dị hợp tiên tiến dựa trên g‐C₃N₄ được trình bày.

Trong thập kỷ qua, đã có những phát triển hấp dẫn trong lĩnh vực pin lithium ion như là các thiết bị lưu trữ năng lượng, dẫn đến việc ứng dụng pin lithium ion trong các lĩnh vực từ thiết bị điện tử cầm tay nhỏ cho đến các hệ thống điện lớn như xe điện hybrid. Tuy nhiên, mật độ năng lượng tối đa của các pin lithium ion hiện nay với hóa học topatactic không đủ để đáp ứng nhu cầu của các thị trường mới trong các lĩnh vực như xe điện. Do đó, các hệ thống điện hóa mới với mật độ năng lượng cao hơn đang được tìm kiếm, và pin kim loại-không khí với hóa học chuyển đổi được coi là một ứng viên triển vọng. Gần đây, hiệu suất điện hóa đầy hứa hẹn đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu đối với pin Li-không khí và pin Zn-không khí. Bài đánh giá này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các nguyên lý cơ bản và tiến triển gần đây trong lĩnh vực pin Li-không khí và pin Zn-không khí, nhằm cung cấp cái nhìn sâu hơn về các hệ thống điện hóa mới.

Trong những năm gần đây, nhiều nỗ lực nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tăng cường mật độ năng lượng của siêu tụ điện mà không làm giảm khả năng cung cấp công suất cao, để đạt được các mức giống như trong pin và giảm chi phí sản xuất. Để làm được điều này, hai vấn đề quan trọng cần được giải quyết: đầu tiên, cần phát triển các phương pháp thiết kế vật liệu điện cực hiệu suất cao cho siêu tụ điện; thứ hai, cần phải đạt được khả năng lắp ráp các loại siêu tụ điện theo cách có kiểm soát (chẳng hạn như các tụ điện đối xứng bao gồm tụ điện lớp đôi và tụ điện giả, tụ điện không đối xứng và tụ điện Li-ion). Sự phát triển bùng nổ của nghiên cứu trong lĩnh vực này làm cho bài đánh giá này trở nên kịp thời. Những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu và phát triển vật liệu điện cực hiệu suất cao và siêu tụ điện năng lượng cao được tóm tắt. Nhiều vấn đề chính để cải thiện mật độ năng lượng của siêu tụ điện và một số mối quan hệ tồn tại giữa các thông số ảnh hưởng khác nhau được xem xét, và các thách thức và triển vọng trong lĩnh vực đầy thú vị này cũng được thảo luận. Điều này mang đến cái nhìn cơ bản về siêu tụ điện và cung cấp một hướng dẫn quan trọng cho thiết kế tương lai của các siêu tụ điện thế hệ tiếp theo tiên tiến cho các ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng.

Các perovskite halide organolead hiện nay đang là tuyển thủ hàng đầu trong vai trò hấp thụ ánh sáng trong các tế bào năng lượng mặt trời lai, khi chúng kết hợp được hiệu suất vượt quá 20% với nhiệt độ lắng đọng dưới 100 °C và quy trình chế tạo dựa trên dung dịch giá rẻ. Tính ổn định lâu dài vẫn là một trở ngại lớn cho ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Tại đây, việc chứng minh rằng tác động phân hủy đáng kể đã xảy ra ngay trong quá trình tôi luyện một perovskite methylammonium lead triiode ở 85 °C, thậm chí trong khí quyển trơ, do đó vi phạm các tiêu chuẩn quốc tế. Hành vi quan sát được hỗ trợ quan điểm về các vật liệu perovskite hiện đang sử dụng như là các hệ thống vật chất mềm với năng lượng hình thành thấp, do đó đại diện cho một nút thắt lớn cho ứng dụng của chúng, đặc biệt ở những quốc gia có nhiệt độ trung bình cao. Kết quả này có thể kích thích một cuộc tìm kiếm rộng rãi hơn cho các gia đình perovskite mới với tính ổn định nhiệt được cải thiện.

Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet vạn vật (IoTs) và trí tuệ nhân tạo, sự phát triển quan trọng nhất cho phần cứng là một hệ thống cảm biến đa chức năng, tạo thành nền tảng cho cách mạng công nghiệp lần thứ tư hướng tới một thế giới thông minh. Để đáp ứng nhu cầu di động của hàng triệu cảm biến này, sự thành công của IoTs cần có nguồn năng lượng phân tán, có thể được cung cấp bởi năng lượng mặt trời, nhiệt, gió và cơ chế kích thích/rung động cơ học. Máy phát điện nano tribo (TENG) thu năng lượng cơ học do nhóm Z.L. Wang phát triển là một trong những lựa chọn tốt nhất cho năng lượng trong kỷ nguyên mới này, vì hiện tượng tribo điện là một hiệu ứng phổ quát và hiện diện khắp nơi với nhiều lựa chọn vật liệu phong phú. Sự phát triển của cảm biến hoạt động tự cấp năng lượng được hỗ trợ bởi TENG là một bước đột phá so với cảm biến thụ động được cấp năng lượng từ bên ngoài, tương tự như sự tiến bộ từ truyền thông có dây sang không dây. Trong bài báo này, lý thuyết cơ bản, thí nghiệm và các ứng dụng của TENG được xem xét như là nền tảng của năng lượng cho kỷ nguyên mới với bốn lĩnh vực ứng dụng chính: nguồn năng lượng vi mô/nano, cảm biến tự cấp năng lượng, năng lượng xanh quy mô lớn và nguồn năng lượng điện áp cao trực tiếp. Một lộ trình được đề xuất cho nghiên cứu và thương mại hóa TENG trong vòng 10 năm tới.

Có nhiều lo ngại ngày càng tăng về tác động đến môi trường, khí hậu và sức khỏe do việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch không tái tạo. Việc sử dụng năng lượng xanh, bao gồm năng lượng mặt trời và năng lượng gió, được cho là một trong những giải pháp hứa hẹn nhất để hỗ trợ sự phát triển kinh tế bền vững hơn. Trong bối cảnh này, pin lithium-ion (LIBs) có thể đóng một vai trò cực kỳ quan trọng. Để tăng cường mật độ năng lượng và công suất của LIBs, các điện cực silicon đã được nghiên cứu sâu rộng nhờ vào khả năng lưu trữ cao, điện thế vận hành thấp, thân thiện với môi trường và độ phong phú cao. Tuy nhiên, những thách thức chính cho việc ứng dụng thực tiễn các điện cực silicon là sự thay đổi thể tích lớn trong quá trình lithiation và delithiation, cũng như các lớp màng giao diện điện phân rắn không ổn định (SEI). Gần đây, những đột phá đáng kể đã đạt được nhờ sử dụng công nghệ nano tiên tiến nhằm tăng cường tuổi thọ chu kỳ và cải thiện hiệu suất tốc độ sạc, một phần nhờ vào những tính chất cơ học xuất sắc của vật liệu nano, diện tích bề mặt lớn và tốc độ vận chuyển lithium và electron nhanh chóng. Bài báo này tóm tắt những tiến bộ gần đây trong việc ứng dụng các vật liệu nano silicon 0D (hạt nano), 1D (dây nano và ống nano), và 2D (phim mỏng) trong các pin LIBs. Các con đường tổng hợp và hiệu suất điện hóa học của các vật liệu nano Si này, cũng như các cơ chế phản ứng cơ bản sẽ được trình bày hệ thống.

Hiện tại, pin lithium-ion đang được thương mại hóa đã cho phép tạo ra những chiếc xe điện thực tiễn, đồng thời đáp ứng nhiều tiêu chuẩn khắt khe về mật độ năng lượng, tuổi thọ, an toàn, công suất và chi phí trong nền kinh tế xe điện. Làn sóng tiếp theo của xe điện tiêu dùng đang cận kề. Mặc dù đã được áp dụng rộng rãi trên thị trường xe cộ, pin lithium-ion vẫn cần phát triển thêm để duy trì vai trò thống trị của chúng giữa các đối thủ cạnh tranh. Trong bài đánh giá này, các tác giả khảo sát các vật liệu điện cực hoạt động và hóa học tế bào tiên tiến nhất cho pin ô tô. Hiệu suất, sản xuất và chi phí cũng được đề cập. Các bước tiến và thách thức trong nền kinh tế pin lithium-ion từ thiết kế vật liệu đến tế bào và gói pin phù hợp với thị trường ô tô đang phát triển nhanh chóng được thảo luận chi tiết. Ngoài ra, các công nghệ mới của các hóa chất pin hứa hẹn cũng được đánh giá toàn diện về tiềm năng của chúng để đáp ứng các mục tiêu của xe điện tương lai.