NHẬT BẢN – Pin natri-ion (SIB – sodium-ion batteries) (*) được đánh giá là giải pháp thay thế tiềm năng cho pin lithium-ion nhờ trữ lượng natri dồi dào trong vỏ trái đất vượt trội so với lithium. Ngoài ra, công nghệ pin SIB còn sở hữu độ an toàn cao hơn cùng khả năng vận hành vượt trội ở nhiệt độ thấp; hiện chúng đã bắt đầu được thương mại hóa cho nhiều ứng dụng, từ thiết bị điện tử cầm tay đến xe điện.
(*) Pin sodium-ion (SIB): là một loại pin sạc, sử dụng các ion natri (Na⁺) làm chất truyền điện tích giữa cực âm và cực dương. Nguyên lý hoạt động của pin SIB tương tự như pin lithium-ion theo cơ chế “ghế bập bênh” (rocking-chair mechanism): khi sạc, ion Na⁺ di chuyển từ cực dương sang cực âm; khi xả, ion Na⁺ di chuyển ngược lại.

Trong số các vật liệu điện cực dương đang được nghiên cứu, oxit natri niken mangan dạng lớp (Nax[Ni,Mn]O2) nổi lên như một ứng viên đầy hứa hẹn. Cụ thể là cấu trúc O3 của Na[Ni1/2Mn1/2]O2, vì nó chứa Na+ theo tỷ lệ mol trong trạng thái nguyên chất và cung cấp dung lượng thuận nghịch tương đối lớn. Tuy nhiên, vật liệu này lại gặp phải hiện tượng suy giảm dung lượng do sự biến đổi thể tích lớn xảy ra trong quá trình sạc và xả. Để giải quyết triệt để vấn đề này, các nghiên cứu trước đây đã thử nghiệm phương pháp thay thế bằng kim loại tạp chất. Trong số các lựa chọn, việc bổ sung ion Na+ đã cho thấy tín hiệu khả quan trong việc cải thiện độ bền chu kỳ; dù vậy, cơ chế chính xác đằng sau sự cải thiện này vẫn chưa được khai phá đầy đủ.

Mới đây, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Shinichi Komaba và phó Giáo sư Shinichi Kumakura dẫn đầu, thuộc khoa hóa học ứng dụng tại đại học khoa học Tokyo (Tokyo university of science), đã đi sâu phân tích việc đưa ion Na+ vào cấu trúc O3-Na[Ni1/2Mn1/2]O2 (NNMO) ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc tinh thể và đặc tính điện cực của vật liệu. Kết quả nghiên cứu chính thức đã được công bố trên tạp chí khoa học Small.

Các nhà nghiên cứu đã áp dụng hai phương pháp để đánh giá ảnh hưởng của việc đưa ion Na+ vào vật liệu: pha tạp (doping) (*) và phủ bề mặt (surface coating). Ông Kumakura cho biết các ion Na+ có thể được tích hợp trực tiếp vào thành phần chính hoặc tạo thành một lớp phủ bên ngoài. Cả hai cách này đều giúp cải thiện hiệu suất chu kỳ của pin, tuy nhiên các cơ chế chính ở giai đoạn sau vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn.
(*) Doping: là quá trình chủ động đưa một lượng nhỏ nguyên tố khác (tạp chất) vào bên trong cấu trúc tinh thể của vật liệu nền để làm thay đổi hoặc cải thiện các đặc tính lý – hóa của vật liệu đó.

Phó Giáo sư Kumakura chia sẻ: “Trong nghiên cứu này, nhóm đã khám phá cách thức Na+ cải thiện hiệu suất pin SIB thông qua cả hai phương pháp pha tạp và phủ bề mặt, từ đó làm rõ cơ chế tác động riêng biệt của từng phương pháp”.

Bằng phương pháp pha tạp thể tích (bulk doping) (1), nhóm nghiên cứu đã tổng hợp các mẫu NNMO được pha tạp Sc với ký hiệu NNMSOx (trong đó x đại diện cho tỉ lệ phần trăm scandium được pha tạp). Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào mẫu NNMSO8 nhờ hiệu suất chu kỳ vượt trội. Bên cạnh đó, nhóm cũng chuẩn bị các mẫu phủ Sc: các hạt NNMO được xử lý qua quy trình ướt (wet process) (2) bằng dung dịch scandium isopropoxide, sau đó đem nung ủ (annealing) (3) ở nhiệt độ 800°C để tạo ra mẫu NNMO-SC800.
(1) Bulk doping: là kỹ thuật trộn và đưa các ion Na+ phân bố đều vào tận sâu bên trong toàn bộ thể tích (cấu trúc chính) của hạt vật liệu, chứ không chỉ dừng ở bề mặt.
(2) Wet process: là phương pháp xử lý hóa học trong môi trường chất lỏng (dung dịch chứa hợp chất scandium isopropoxide) để giúp các phân tử chứa scandium bám dính đều lên lớp vỏ bên ngoài của các hạt NNMO.
(3) Annealing: Sau khi phủ dung dịch, hạt vật liệu được đưa vào lò nung ở 800°C. Nhiệt độ cao này giúp nung kết lớp scandium, loại bỏ bớt tạp chất hữu cơ và tạo thành một lớp bảo vệ vững chắc kết dính chặt trên bề mặt hạt.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã đánh giá các đặc tính điện hóa của các mẫu tổng hợp bằng cách sử dụng các pin cúc áo Na aprotic. Kết quả thu được cho thấy cả hai giải pháp pha tạp và phủ bề mặt đều nâng cao độ bền sạc/ xả của pin, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng duy trì dung lượng sau 100 chu kỳ hoạt động.

Hiệu suất được cải thiện này xuất phát từ việc ức chế các phản ứng phụ và ổn định hóa cấu trúc chính nhờ sự hiện diện của các ion Na+. Ngoài ra, mẫu NNMSO8 còn thể hiện đường cong sạc/ xả (charging/ discharging curve) (1) mượt mà hơn so với mẫu NNMO nguyên bản. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng điều này là nhờ sự thay thế của các ion Na+ đã ngăn chặn hiện tượng trật tự hóa ion Na+/ lỗ trống (Na+/ vacancy ordering) (2). Trái lại, ở mẫu NNMO-SC800 lại không thấy sự thay đổi nào về hình dạng đường cong sạc/ xả, điều này cho thấy ion Sc3+ chủ yếu chỉ xuất hiện trên bề mặt. Cả hai vật liệu cải tiến đều cho thấy khả năng duy trì dung lượng ở dòng xả cao (rate capability) (3) tốt hơn.
(1) Charging/ discharging curve: là đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện áp theo dung lượng.
(2) Na+/ vacancy ordering: Khi sạc pin, các ion Na+ chui ra khỏi lớp oxit, để lại các vị trí trống gọi là lỗ trống (vacancies). Ở vật liệu thông thường, khi ion Na+ rút ra đến một tỉ lệ nhất định, các ion Na+ còn lại và các lỗ trống sẽ tự động sắp xếp lại thành một cấu trúc có trật tự hình học cố định (ordering).
(3) Rate capability (tốc độ sạc/ xả): đại diện cho khả năng pin cung cấp/ tiếp nhận năng lượng nhanh mà không bị sụt giảm dung lượng quá nhiều.

Nhìn chung, nhóm nghiên cứu kết luận rằng phương pháp phủ bề mặt giúp gia tăng độ ổn định chu kỳ nhưng không ngăn được sự suy giảm tính tinh thể trong quá trình vận hành dài hạn; trong khi đó, phương pháp pha tạp giúp ngăn chặn sự thoái hóa cấu trúc chính nhưng lại chưa thể loại bỏ triệt để hiện tượng suy giảm dung lượng.

Giáo sư Komaba nhận định: “Các phát hiện của nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự kết hợp cộng hưởng giữa pha tạp thể tích và phủ bề mặt là một chiến lược đầy hứa hẹn để nâng cao hiệu suất của pin SIB. Điều này sẽ giúp tăng tuổi thọ của pin SIB và mở rộng khả năng ứng dụng thực tế của chúng”.

Mặc dù Sc đóng vai trò là một hệ mô hình lý tưởng để chứng minh các cơ chế cấu trúc riêng biệt này, chi phí và nguồn cung hạn chế của nó cần bước tiếp theo của nhóm là áp dụng những phát hiện này lên các nguyên tố có trữ lượng dồi dào, giá thành thấp hơn nhằm phục vụ việc thương mại hóa ở quy mô lớn. Nghiên cứu này cung cấp những nguyên lý thiết kế giá trị cho việc phát triển các dòng pin SIB hiệu suất cao và có tuổi thọ lâu dài hơn.

Để xem các tin bài khác về “Pin natri-ion”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online