Vật liệu mới cho pin natri-ion mang đến tương lai bền vững, giá cả phải chăng trong tầm tay
Tác giả: Rashda Khan, Đại học Houston
Những biến thể về cấu trúc trong c-Na2V2(PO4)3 và e-Na2V2(PO4)3. Nguồn: Nature Materials (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-02023-7
Mặc dù pin lithium-ion là công nghệ được sử dụng cho mọi thứ, từ điện thoại thông minh và máy tính xách tay đến ô tô điện, nhưng ngày càng có nhiều lo ngại về tương lai vì lithium tương đối khan hiếm, đắt đỏ và khó tìm nguồn cung ứng, và có thể sớm gặp rủi ro do các cân nhắc về địa chính trị. Các nhà khoa học trên khắp thế giới đang nỗ lực tạo ra các giải pháp thay thế khả thi.
Một nhóm các nhà nghiên cứu liên ngành quốc tế, bao gồm Phòng thí nghiệm nghiên cứu Canepa tại Đại học Houston, đã phát triển một loại vật liệu mới cho pin natri-ion có thể giúp pin hiệu quả hơn và tăng hiệu suất năng lượng, mở đường cho tương lai năng lượng bền vững và giá cả phải chăng hơn.
Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature Materials.
Vật liệu mới, natri vanadi photphat với công thức hóa học NaxV2(PO4)3, cải thiện hiệu suất của pin natri-ion bằng cách tăng mật độ năng lượng—lượng năng lượng được lưu trữ trên một kilôgam—hơn 15%. Với mật độ năng lượng cao hơn là 458 watt-giờ trên kilôgam (Wh/kg) so với 396 Wh/kg trong pin natri-ion cũ, vật liệu này đưa công nghệ natri đến gần hơn với khả năng cạnh tranh với pin lithium-ion.
"Natri rẻ hơn lithium gần 50 lần và thậm chí có thể thu được từ nước biển, khiến nó trở thành lựa chọn bền vững hơn nhiều cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn", Pieremanuele Canepa, trợ lý giáo sư Robert Welch về kỹ thuật điện và máy tính tại UH và là nhà nghiên cứu chính của Phòng thí nghiệm Canepa cho biết.
"Pin natri-ion có thể rẻ hơn và dễ sản xuất hơn, giúp giảm sự phụ thuộc vào lithium và giúp công nghệ pin dễ tiếp cận hơn trên toàn thế giới".
Từ lý thuyết đến thực tế
Phòng thí nghiệm Canepa, sử dụng chuyên môn lý thuyết và phương pháp tính toán để khám phá các vật liệu và phân tử mới nhằm giúp thúc đẩy các công nghệ năng lượng sạch, đã hợp tác với các nhóm nghiên cứu do các nhà nghiên cứu người Pháp Christian Masquelier và Laurence Croguennec từ Phòng thí nghiệm Phản ứng và Chimie des Solides đứng đầu, đây là phòng thí nghiệm CNRS thuộc Đại học Picardie Jules Verne, tại Amiens, Pháp, và Viện Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, Đại học Bordeaux, Bordeaux, Pháp để thực hiện công việc thử nghiệm cho dự án. Điều này cho phép mô hình lý thuyết trải qua quá trình xác thực thử nghiệm.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một nguyên mẫu pin sử dụng vật liệu mới, NaxV2(PO4)3, chứng minh những cải tiến đáng kể về khả năng lưu trữ năng lượng. NaxV2(PO4)3, một phần của nhóm có tên là "chất dẫn điện siêu ion Na" hoặc NaSICON, được thiết kế để cho phép các ion natri di chuyển trơn tru vào và ra khỏi pin trong quá trình sạc và xả.
Không giống như các vật liệu hiện có, nó có cách xử lý natri độc đáo, cho phép nó hoạt động như một hệ thống một pha. Điều này có nghĩa là nó vẫn ổn định khi giải phóng hoặc hấp thụ các ion natri. Điều này cho phép NaSICON duy trì sự ổn định trong quá trình sạc và xả trong khi cung cấp điện áp liên tục là 3,7 vôn so với kim loại natri, cao hơn 3,37 vôn trong các vật liệu hiện có.
Mặc dù sự khác biệt này có vẻ nhỏ, nhưng nó làm tăng đáng kể mật độ năng lượng của pin hoặc lượng năng lượng mà nó có thể lưu trữ cho trọng lượng của nó. Chìa khóa cho hiệu quả của nó là vanadi, có thể tồn tại ở nhiều trạng thái ổn định, cho phép nó giữ và giải phóng nhiều năng lượng hơn.
"Sự thay đổi điện áp liên tục là một tính năng chính", Canepa cho biết. "Điều đó có nghĩa là pin có thể hoạt động hiệu quả hơn mà không ảnh hưởng đến độ ổn định của điện cực. Đó là một bước ngoặt đối với công nghệ ion natri".
Khả năng cho một tương lai bền vững
Những hàm ý của công trình này không chỉ giới hạn ở pin ion natri. Phương pháp tổng hợp được sử dụng để tạo ra NaxV2(PO4)3 có thể được áp dụng cho các vật liệu khác có tính chất hóa học tương tự, mở ra những khả năng mới cho các công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến. Đổi lại, điều đó có thể tác động đến mọi thứ, từ pin bền vững, giá cả phải chăng hơn đến cung cấp năng lượng cho các thiết bị của chúng ta để giúp chúng ta chuyển đổi sang nền kinh tế năng lượng sạch hơn.
"Mục tiêu của chúng tôi là tìm ra các giải pháp sạch, bền vững để lưu trữ năng lượng", Canepa cho biết. "Vật liệu này cho thấy pin natri-ion có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng cao của công nghệ hiện đại trong khi vẫn tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường".
Ziliang Wang, cựu sinh viên của Canepa và hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Northwestern, và Sunkyu Park, cựu sinh viên của các nhà nghiên cứu người Pháp và hiện là kỹ sư nhân viên tại Samsung SDI ở Hàn Quốc, đã thực hiện phần lớn công việc cho dự án này.
