Vật liệu cực âm mới cho pin natri-ion được lấy cảm hứng từ công trình trước đây tại Argonne dẫn đến pin lithium-ion trên Chevy Volt và Bolt. Nó có thể giúp cung cấp các nguyên liệu chi phí thấp và dồi dào cho pin xe điện.
Christopher Johnson, thành viên xuất sắc của Argonne, trong phòng thí nghiệm nghiên cứu về pin tiên tiến cho xe điện và các ứng dụng khác. Tín dụng: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Như hầu hết những người mua sắm đang tìm kiếm một chiếc xe mới đều biết, xe điện thường có mức giá tương đối đắt. Yếu tố chính đóng góp vào chi phí này là pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho xe. Việc giảm đáng kể chi phí đó sẽ đưa chúng ta đến gần hơn với các giải pháp vận chuyển thân thiện với môi trường và ví tiền.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phát minh và cấp bằng sáng chế cho một vật liệu cực âm mới thay thế các ion lithium bằng natri và sẽ rẻ hơn đáng kể. Cực âm là một trong những bộ phận chính của bất kỳ loại pin nào. Đây là nơi diễn ra phản ứng hóa học tạo ra dòng điện đẩy xe.
Christopher Johnson, nhà hóa học cấp cao và thành viên nổi tiếng của Argonne cho biết: “Ước tính của chúng tôi cho thấy pin natri-ion sẽ có giá thấp hơn 1/3 so với pin lithium-ion”. "Chương trình pin của chúng tôi tại Argonne đã nghiên cứu pin natri-ion trong hơn một thập kỷ nay và thiết kế cấu trúc cực âm của chúng tôi làm cho pin natri-ion trở thành một giải pháp thay thế hấp dẫn cho các loại xe điện thân thiện với ngân sách và bền vững hơn."
Bước đột phá đổi mới của nhóm nghiên cứu của Johnson bắt nguồn từ nghiên cứu trước đây của ông với hai Nghiên cứu sinh xuất sắc khác của Argonne—Michael Thackeray (đã nghỉ hưu) và Khalil Amine—về vật liệu cực âm mới cho pin lithium-ion. Cực âm đó hiện là một phần của pin cung cấp năng lượng cho Chevy Volt và Bolt, cũng như các loại xe điện khác.
Vật liệu làm cực âm trước đây là oxit lithium niken-mangan-coban (NMC) với cấu trúc trong đó các nguyên tử được sắp xếp thành từng lớp. Cấu trúc này cho phép dễ dàng chèn và tách các ion lithium giữa các lớp. Do đó, các ion này có thể di chuyển tự do từ cực âm sang cực dương và quay lại để sạc và xả pin.
Rút ra những hiểu biết sâu sắc từ nghiên cứu trước đó, nhóm của Johnson đã phát minh ra cực âm oxit nhiều lớp được thiết kế riêng cho pin natri-ion. Biến thể này trên cực âm NMC là oxit natri niken-mangan-sắt (NMF) với cấu trúc phân lớp để chèn và chiết natri hiệu quả. Sự vắng mặt của coban trong công thức cực âm giúp giảm thiểu những lo ngại về chi phí, sự khan hiếm và độc tính liên quan đến nguyên tố đó.
Sự quan tâm của nhóm đối với pin natri-ion bắt nguồn từ nhiều ưu điểm của chúng. Hai là tính bền vững và chi phí. Natri dồi dào trong tự nhiên và dễ dàng khai thác hơn lithium. Do đó, nó chỉ bằng một phần chi phí cho mỗi kg và ít bị ảnh hưởng bởi biến động giá hoặc gián đoạn trong chuỗi cung ứng.
Hơn nữa, ngoài natri, vật liệu làm cực âm chủ yếu chứa sắt và mangan. Cả hai yếu tố này đều phong phú trên toàn cầu và không nằm trong danh sách có nguy cơ tuyệt chủng.
Một lợi ích khác là pin natri-ion có thể duy trì khả năng sạc ở nhiệt độ dưới mức đóng băng. Điều này giải quyết một trong những nhược điểm đáng chú ý của pin lithium-ion hiện có. Điều có lợi cho pin natri-ion là công nghệ quản lý và sản xuất pin đã tồn tại. Điều này là do thiết kế của chúng gần giống với pin lithium-ion.
Johnson lưu ý: “Có một nhược điểm đối với loại pin kỳ diệu này”. “Kim loại natri nặng hơn lithium khoảng ba lần và điều đó làm tăng đáng kể trọng lượng của pin.” Trọng lượng tăng thêm cũng đồng nghĩa với việc phạm vi lái xe ngắn hơn.
Cho đến nay, thiếu sót này đã cản trở việc thâm nhập thị trường xe điện của pin natri-ion. Tuy nhiên, so với công nghệ natri-ion khác, cực âm của nhóm có mật độ năng lượng cao hơn nhiều, đủ để cung cấp năng lượng cho xe điện trong phạm vi lái xe khoảng 280-200 dặm trong một lần sạc.
Johnson nhấn mạnh rằng mặc dù pin natri-ion có thể không hấp dẫn những người tìm kiếm quãng đường lái xe dài nhưng nó có thể thu hút những người tiêu dùng có ngân sách tiết kiệm, đặc biệt là những người dân thành thị mà việc lái xe hàng ngày hiếm khi vượt quá khoảng cách này.
Một thiếu sót khác của pin natri-ion trước đó là tuổi thọ ngắn. Nhưng với vật liệu cực âm của nhóm, các tế bào pin có thể được sạc và xả với số chu kỳ tương tự như các pin lithium-ion của chúng.
Johnson cho biết: “Chúng tôi hiện đã chuyển từ giai đoạn thí nghiệm và sẵn sàng thử nghiệm cực âm của mình trong các tế bào pin tương tự như pin trong pin xe điện thực tế”. Thử nghiệm này sẽ được thực hiện tại Cơ sở Phân tích, Mô hình hóa và Tạo mẫu Tế bào của Argonne.
Johnson cho biết: “Từ đó, chúng tôi hy vọng cực âm NMF sẽ đi theo quỹ đạo của cực âm NMC của chúng tôi và được chọn để sản xuất”. Nhóm của ông cũng đang nỗ lực phát triển các vật liệu khác nhau cho hai thành phần chính khác của pin – chất điện phân và cực dương – để tăng mật độ năng lượng hơn nữa.
Pin natri-ion còn có một ứng dụng khả thi khác ngoài giao thông vận tải. Đặc biệt, chúng rất phù hợp với việc lưu trữ năng lượng tái tạo để sử dụng trong lưới điện, nơi trọng lượng pin không phải là vấn đề lớn và hoạt động ở nhiệt độ thấp là một lợi thế. Pin cho lưới điện là một thị trường pin đang phát triển nhanh chóng.
Sự cống hiến của Argonne cho các giải pháp năng lượng bền vững được nhấn mạnh bởi bước nhảy vọt về công nghệ này. Pin natri-ion có thể làm giảm bớt lo ngại về nguồn cung sẵn có các thành phần giá rẻ cho pin xe hơi trong tương lai.
