Mặc dù pin lithium-ion đang cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện tử, điện thoại thông minh, xe điện, nhưng trữ lượng lithium có hạn và phân bố không đồng đều trên thế giới. Ngược lại, natri dồi dào và rẻ tiền, khiến pin natri-ion là lựa chọn bền vững và có tiềm năng tiết kiệm chi phí hơn.

Tuy nhiên, để pin natri-ion cạnh tranh được với pin lithium-ion, chúng phải lưu trữ lượng năng lượng tương đương. Một trong những thách thức lớn nhất của pin natri-ion nằm ở cực dương, bộ phận lưu trữ ion natri trong quá trình sạc.

Hầu hết pin natri-ion tiên tiến có cực dương làm từ vật liệu gọi là carbon cứng. Carbon cứng là dạng carbon xốp, cấu trúc không trật tự với các lỗ nhỏ ở kích thước nano. Các nhà khoa học tin rằng các lỗ nano này đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ natri, nhưng chính xác cách hoạt động của nó vẫn chưa được làm rõ.

Để hiểu rõ hơn về quá trình này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Yoshitaka Tateyama tại Viện khoa học Tokyo dẫn đầu, sử dụng mô phỏng máy tính để nghiên cứu cách natri hoạt động bên trong carbon cứng. Kết quả nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.

Sử dụng các kỹ thuật mô hình hóa độ chính xác cao, được gọi là động lực học phân tử dựa trên lý thuyết hàm mật độ, nhóm nghiên cứu mô phỏng cách các ion natri di chuyển và tương tác bên trong cấu trúc carbon siêu nhỏ. Các mô phỏng này thực hiện trên các siêu máy tính tiên tiến, gồm cả hệ thống Fugaku của Nhật Bản.

Kết quả đã cung cấp hiểu biết mới về cách natri được lưu trữ. Ban đầu, các ion natri bám vào bề mặt của carbon theo cấu trúc phẳng, hai chiều. Các mô phỏng cho thấy, chúng nhanh chóng chuyển thành các cụm ba chiều, bán kim loại bên trong các lỗ nano. Nói một cách đơn giản, các ion natri tập hợp thành các cụm nhỏ giống kim loại bên trong các khoang nhỏ của carbon.

Các nhà nghiên cứu cũng xác định được kích thước lỗ lý tưởng để natri lưu trữ ổn định. Theo các tính toán của họ, các lỗ nano khoảng 1,5 nanomet cung cấp các điều kiện tối ưu để hình thành và duy trì các cụm natri này. Dự đoán này phù hợp sát nhất với các quan sát thực nghiệm trước đó, xác thực niềm tin vào mô hình.

Một phát hiện quan trọng khác giải thích tại sao pin natri-ion thường sạc và xả chậm hơn mong muốn. Mặc dù các ion natri có thể di chuyển nhanh chóng trong một số khu vực liên kết tốt của carbon cứng, nhưng các vùng hẹp và phân nhánh lại như các điểm nghẽn. Các ion natri có thể làm tắc nghẽn tạm thời không gian chật hẹp này. Chỉ khi lực đẩy đủ mạnh, các ion mới có thể xuyên qua, tạo ra một bước hạn chế tốc độ làm chậm toàn bộ quá trình.

Nghiên cứu cũng cho thấy, một số ion natri gắn vào các khuyết tật trong cấu trúc carbon, thực sự có thể giúp hình thành cụm bằng cách giảm tương tác mạnh giữa natri và carbon, đồng thời điều chỉnh không gian bên trong các lỗ xốp.

Nhìn chung, các hiểu biết này cung cấp các hướng dẫn thiết kế rõ ràng hơn để cải thiện vật liệu carbon cứng. Bằng cách kiểm soát cẩn thận kích thước và cấu trúc lỗ xốp, các nhà khoa học có thể tạo ra pin natri-ion với mật độ năng lượng cao hơn và hiệu suất tốt hơn.

Khi năng lượng tái tạo từ các trang trại điện mặt trời và điện gió tiếp tục phát triển, pin lưu trữ với giá cả phải chăng và bền vững ngày càng trở nên quan trọng. Pin natri-ion được cải tiến, có thể đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ một tương lai sử dụng năng lượng sạch và bền vững.