Pin natri thể rắn có thể là lựa chọn an toàn hơn, rẻ hơn và mạnh mẽ hơn
Tác giả: Narsimha Pujari, Canadian Light Source
a) Sơ đồ quá trình tiến hóa từ natri hafni halide thành natri hafni chalcohalide. So sánh giữa Na-Hf-Cl và Na-Hf-S-Cl về b) độ dẫn ion, c) đường cong TGA. Đường cong tải trọng-dịch chuyển nanoindentation của d) Na-Hf-S-Cl và e) Na-Hf-Cl. Nguồn: Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202516657
Giờ đây, chúng ta phụ thuộc vào pin hơn bao giờ hết, từ điện thoại và máy tính xách tay đến xe điện. Tuy nhiên, những loại pin cung cấp năng lượng cho các công nghệ ngày nay không phải là không có nhược điểm. Chúng có thể đắt tiền, dễ cháy và phụ thuộc vào các vật liệu ngày càng có nhu cầu cao, đòi hỏi phải khai thác và xử lý.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Western đang nghiên cứu một loại pin mới - pin natri thể rắn - cho thấy triển vọng đáng kể trong việc giải quyết những thách thức này.
"Hiện tại, hầu hết các loại pin chúng ta sử dụng đều chứa chất điện phân lỏng dễ cháy và các nguyên tố hiếm như lithium", Tiến sĩ Yang Zhao, giáo sư Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Vật liệu tại Đại học Western, cho biết. "Natri dồi dào và rẻ hơn nhiều, và nếu chúng ta có thể chế tạo nó ở dạng chất điện phân rắn, nó có thể rẻ hơn, an toàn hơn và bền hơn."
Chất điện phân thể rắn thay thế chất lỏng dễ cháy trong pin thông thường bằng vật liệu rắn. Những chất rắn này vốn an toàn hơn và hứa hẹn mật độ năng lượng cao hơn, đồng nghĩa với việc pin có thời lượng sử dụng lâu hơn giữa các lần sạc. Tuy nhiên, việc làm cho các ion natri di chuyển nhanh chóng và đáng tin cậy qua chất rắn vẫn là một bài toán khoa học hóc búa.
Zhao và các đồng nghiệp đã chế tạo một vật liệu mới chứa lưu huỳnh và clo. Mặc dù chất điện phân truyền thống ổn định về mặt hóa học, nhưng chúng có xu hướng di chuyển các ion natri kém từ cực dương của pin sang cực âm. Thành phần lưu huỳnh trong thiết kế mới giúp tăng cường độ dẫn điện bằng cách giúp các ion dễ dàng di chuyển qua cấu trúc và tăng cường độ bền tổng thể của vật liệu. Họ đã công bố phát hiện của mình trên các tạp chí Advanced Functional Materials và Advanced Materials.
Ngoài độ dẫn điện ion natri cao, vật liệu do Zhao và nhóm của ông phát triển còn có độ ổn định nhiệt và cơ học tuyệt vời. Đây là một bước tiến lớn đối với các loại pin cần hoạt động trong vô số chu kỳ sạc-xả và hoạt động đáng tin cậy trong phạm vi nhiệt độ rộng. Trong nhiều thiết kế pin thể rắn, chất điện phân có thể bị phân hủy khi tiếp xúc với các thành phần khác của pin. Nhưng vật liệu do nhóm nghiên cứu tại Western phát triển thì không như vậy.
Zhao và các đồng nghiệp đã sử dụng tia X mạnh của Canadian Light Source (CLS) tại Đại học Saskatchewan để quan sát cách các ion di chuyển bên trong chất điện phân rắn.
"Những công cụ tia X này cho phép chúng tôi quan sát môi trường hóa học cục bộ, đường dẫn ion và cấu trúc liên kết theo những cách mà các thiết bị phòng thí nghiệm thông thường không thể làm được", Zhao nói. "Chúng hoàn toàn cần thiết cho việc phát triển vật liệu pin thể rắn."
Mặc dù pin thể rắn có thể vẫn còn vài năm nữa mới có thể được sử dụng rộng rãi trên thị trường, Tiến sĩ Zhao vẫn lạc quan. "Chúng tôi đang đạt được những tiến bộ thực sự hướng tới loại pin an toàn hơn và tiết kiệm chi phí hơn", ông nói.
Thông tin thêm: Zhi Liang Dong và cộng sự, Thiết kế chất điện phân rắn Natri Chalcohalide với các anion hỗn hợp cho pin ion natri thể rắn hoàn toàn, Vật liệu chức năng tiên tiến (2025). DOI: 10.1002/adfm.202516657
Zhi Liang Dong và cộng sự, Chất điện phân rắn sunfua-clorua mới với tỷ lệ anion có thể điều chỉnh cho pin ion natri thể rắn có độ ổn định cao, Vật liệu tiên tiến (2025). DOI: 10.1002/adma.202503107
Thông tin tạp chí: Vật liệu chức năng tiên tiến, Vật liệu tiên tiến
Cung cấp bởi Canadian Light Source
