Pin natri-ion lộ lợi thế lớn: Bền hơn, rẻ hơn và vẫn giữ 96,7% dung lượng sau 300 chu kỳ

Hình minh họa pin ion natri. Ảnh: Getty.

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách cải thiện độ bền của pin natri-ion bằng cách thay đổi hình dạng tinh thể của vật liệu điện cực dương, thay vì thay đổi thành phần hóa học.

Khi ion natri liên tục di chuyển vào và ra khỏi điện cực trong quá trình sạc - xả, mạng tinh thể sẽ giãn nở và co lại. Sự biến dạng không đồng đều tạo ra ứng suất bên trong, lâu dần gây nứt vật liệu và làm giảm hiệu suất pin.

Nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Vũ Hán dẫn đầu phát hiện việc kiểm soát kích thước tinh thể theo trục c có thể hạn chế vấn đề này.

Họ sử dụng vật liệu điện cực dương dạng lớp P2, Na₀.₇₅Ni₀.₂₅Mn₀.₇₅O₂, vốn được quan tâm trong công nghệ pin natri-ion nhờ nguồn natri dồi dào và chi phí tiềm năng thấp hơn lithium.

Tinh thể mỏng hơn giúp giảm ứng suất

Nhóm nghiên cứu tạo ra vật liệu NaNMO với hình thái được điều chỉnh, gọi là MT-NaNMO, rồi so sánh với vật liệu thông thường có cùng thành phần hóa học.

Điểm khác biệt nằm ở hình dạng hạt. Các tinh thể mới chỉ dày khoảng 200 nanomet theo trục c, trong khi mẫu thông thường có kích thước khoảng 800 nanomet.

Phân tích cấu trúc cho thấy hai vật liệu trải qua những biến đổi tinh thể tương tự khi sạc - xả. Tuy nhiên, các tinh thể mỏng phân bổ ứng suất đồng đều hơn, trong khi tinh thể dày xuất hiện biến dạng và tập trung ứng suất cục bộ.

Mô phỏng phần tử hữu hạn cũng cho thấy việc rút ngắn trục c giúp phân tán ứng suất hiệu quả hơn. Vật liệu mới đồng thời cho khả năng vận chuyển ion natri nhanh hơn và điện trở thấp hơn.

Kết quả đáng chú ý là điện cực được tối ưu vẫn giữ 96,7% dung lượng sau 300 chu kỳ ở tốc độ 5C.

Các nhà nghiên cứu ví quá trình ion natri ra vào vật liệu như một dạng “hô hấp” liên tục. Việc rút ngắn chiều dễ chịu tổn thương giúp ứng suất có thêm không gian để giải phóng trước khi hình thành vết nứt.

Thiết kế pin được tính toán theo từng hướng tinh thể

Phương pháp này có thể là lựa chọn thay thế cho việc đơn giản làm nhỏ toàn bộ hạt vật liệu.

Hạt nhỏ giúp giảm ứng suất nhưng đồng thời làm tăng diện tích bề mặt, có thể thúc đẩy phản ứng không mong muốn với chất điện phân và làm giảm mật độ đóng gói.

Bằng cách tập trung vào trục c, các nhà nghiên cứu có thể xử lý trực tiếp hướng dễ phát sinh ứng suất kéo và nứt gãy nhất mà không cần thay đổi thành phần hóa học.

Trong thử nghiệm với pin hoàn chỉnh sử dụng carbon cứng làm điện cực âm, vật liệu đạt mật độ năng lượng khoảng 218,3 Wh/kg và giữ lại 92,6% dung lượng sau 300 chu kỳ ở tốc độ 2C.

Pin natri-ion đang được nghiên cứu cho lưu trữ năng lượng tái tạo và hệ thống điện quy mô lớn. Nghiên cứu mới cho thấy không chỉ thành phần hóa học, mà cả hình dạng của tinh thể cũng có thể quyết định độ bền của pin.

Theo IE

Huyền Chi