Một nhóm nhà nghiên cứu từ Ấn Độ, Australia và Anh, sử dụng hiệu ứng vật lý từ 270 năm trước để tạo ra đường dẫn nguyên tử bên trong cực âm của pin natri-ion. Phương pháp này có thể mở ra hướng xây dựng hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn bằng cách sử dụng natri giá rẻ, có sẵn dồi dào. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Small.
Quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch thường dựa vào pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng tái tạo sản xuất từ các nhà máy điện mặt trời, điện gió. Các loại pin này cũng dùng để lưu trữ năng lượng trong các thiết bị điện tử và xe điện. Tuy nhiên, khai thác lithium rất khó khăn và không thân thiện với môi trường, nên việc sử dụng quy mô lớn càng tốn kém.
Trong khi đó, việc dùng các nguyên liệu có sẵn, dồi dào như natri, để chế tạo pin có thể giúp giảm chi phí và tốt hơn cho môi trường. Nhưng các ion natri có kích thước lớn, có thể làm tắc nghẽn cực âm, làm hao mòn nó. Để tránh điều này, các nhà khoa học tìm kiếm vật liệu mới phù hợp hơn cho cực âm.
Các nhà nghiên cứu tại Viện khoa học giáo dục và nghiên cứu Ấn Độ (IISER) Bhopal và Viện công nghệ Gandhinagar Ấn Độ (IITGN) hợp tác với các đồng nghiệp tại Đại học Nam Queensland ở Australia và Đại học Swansea ở Anh để phát triển cực âm mới, cho phép ion natri di chuyển nhanh chóng và lặp đi, lặp lại mà không làm hỏng cấu trúc của nó.
Sử dụng Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), hỗn hợp phosphate-pyrophosphate gốc sắt, các nhà nghiên cứu đã chế tạo cực âm có cấu trúc dạng đường hầm ba chiều ổn định một cách tự nhiên, để tạo điều kiện thuận lợi cho sự di chuyển của các ion natri.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu biết rằng, việc sử dụng vật liệu gốc sắt nguyên chất cho cực âm sẽ gây ra các vấn đề về độ dẫn điện và khả năng truyền tải năng lượng. Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu đã thêm indium vào hỗn hợp.
Việc thay thế chỉ 1% nguyên tử sắt bằng indium, giúp nhóm nghiên cứu tăng khoảng cách giữa các nguyên tử trong vật liệu cực âm. Điều này làm các ion natri di chuyển dễ dàng hơn, từ đó cải thiện độ dẫn điện của cực âm. Nhưng chỉ cải thiện vật liệu cực âm thôi là chưa đủ. Nhóm nghiên cứu còn cải tiến quy trình sản xuất vật liệu. Họ đã áp dụng hiệu ứng Leidenfrost.
270 năm trước, bác sĩ người Đức Johann Gottlob Leidenfrost quan sát thấy các giọt nước trượt trên bề mặt kim loại siêu nóng như thể không có ma sát. Điều này xảy ra, vì hơi nước tạo ra một lớp đệm trên bề mặt ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với điểm sôi, cho phép nước trượt đi.
Hiện tượng này làm chảo thép không gỉ trở nên chống dính ở nhiệt độ cao. Nhóm nghiên cứu sử dụng hiệu ứng này để phun vật liệu cực âm lên bề mặt kim loại, kích hoạt hiệu ứng Leidenfrost, làm bay hơi tức thì vật liệu đó. Kết quả là các hạt xốp được nung chảy thành dạng bột, thấm hút chất điện phân để truyền ion natri mượt mà hơn.
Điều này giúp nhóm nghiên cứu không cần sử dụng lò nung, làm cho quy trình sản xuất thân thiện hơn với môi trường, đồng thời đảm bảo cấu trúc tinh thể của cực âm vẫn nguyên vẹn qua hàng nghìn chu kỳ. Vật liệu cực âm được tối ưu hóa thể hiện mật độ năng lượng cao khoảng 359 Wh/kg và độ bền đáng kể với hiệu suất ổn định trong hơn 10.000 chu kỳ sạc-xả.
