Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã giải quyết vấn đề kém ổn định của pin natri-ion (SIB) trong không khí và nước, bằng cách bổ sung canxi vào vật liệu cathode của SIB, giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất.
Pin natri-ion (SIB) là giải pháp đầy hứa hẹn và chi phí thấp thay thế cho pin lithium-ion (LIB), phù hợp cho cả thiết bị điện tử cá nhân và lưu trữ năng lượng quy mô lớn, nhưng việc áp dụng chúng vẫn còn hạn chế do độ ổn định kém trong không khí và nước.
Nhóm nghiên cứu Nhật Bản phát hiện ra rằng, việc pha tạp canxi vào vật liệu cathode của SIB là Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 (NFM), có thể cải thiện độ ổn định và hiệu suất, mở đường cho các công nghệ pin thiết thực và bền vững hơn.
Pin sạc là một phần cơ bản của bối cảnh công nghệ ngày nay, cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ thiết bị cá nhân đến cơ sở hạ tầng quy mô lớn. Mặc dù có nhiều loại pin sạc, nhưng LIB là loại phổ biến nhất, nhờ mật độ năng lượng vượt trội, vòng đời dài và tỉ lệ tự xả thấp.
Tuy nhiên, lithium là nguyên tố khá khan hiếm và phân bố không đồng đều trên thế giới, thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu pin làm từ vật liệu khác. Trong thập kỷ qua, các nhà khoa học đã tập trung mạnh vào SIB, một giải pháp hấp dẫn thay thế cho LIB.
Ưu điểm chính của SIB là sự phong phú của natri, có nhiều trong nước biển, giá cả phải chăng, cũng như an toàn hơn nhiều so với lithium. Tuy nhiên, mặc dù sở hữu các đặc tính hấp dẫn này, nhưng SIB vẫn có những nhược điểm riêng. Một thách thức lớn là độ ổn định của vật liệu cathode của SIB trong không khí và nước, có thể làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin.
Trong một nghiên cứu gần đây, nhóm nghiên cứu từ Đại học khoa học Tokyo (TUS), Nhật Bản đạt được tiến bộ đáng kể trong việc giải quyết hạn chế này của SIB. Bài báo của họ, công bố trên tạp chí Materials Chemistry A ngày 29/8/2025, giới thiệu phương pháp mới tăng cường độ ổn định trong không khí và nước của NFM, một thành phần hứa hẹn cho vật liệu cathode của SIB loại P2.
Phương pháp của họ tập trung vào việc thay thế một số ion natri (Na) trong NFM bằng ion canxi (Ca), một kỹ thuật được gọi là “pha tạp”. Mặc dù nồng độ cuối cùng của ion Ca thấp so với tổng trọng lượng của điện cực (dưới 2%), nhưng việc pha tạp có tác động đáng kể đến nhiều đặc tính khác nhau.
Các thí nghiệm cho thấy, NFM pha tạp Ca có hiệu suất cao hơn NFM thông thường, trong khi vẫn duy trì khả năng phóng điện cao. Quan trọng nhất, NFM pha tạp Ca thể hiện độ ổn định cao trong không khí và nước. Nếu như 2 ngày tiếp xúc với không khí khiến NFM thông thường mất 35% khả năng phóng điện thì NFM pha tạp Ca không bị mất khả năng này.
Theo phân tích của nhóm nghiên cứu, độ ổn định được cải thiện dường như bắt nguồn từ sự di chuyển tự phát của Ca trong quá trình tiếp xúc không khí, dẫn đến sự hình thành lớp bề mặt bảo vệ giàu Ca, giúp ngăn quá trình phân hủy, chẳng hạn như trao đổi Na+/H+ và khử xen kẽ Na, Giáo sư Komaba của TUS cho biết. Cơ chế mới được khám phá này có vẻ khá hiệu quả trong việc giảm thiểu phản ứng phân hủy bề mặt trong oxit phân lớp.
Nhóm nghiên cứu cũng lưu ý, việc bổ sung Ca giúp cải thiện độ kết tinh và tăng khoảng cách giữa các lớp trong NFM, giúp nâng cao hiệu suất điện hóa. Ngoài ra, lớp bảo vệ còn che chắn NFM trong quá trình lưu trữ trước khi lắp ráp pin. Bằng cách khám phá ra tác dụng bảo vệ của việc bổ sung Ca vào NFM, nghiên cứu này có thể mở đường cho việc áp dụng rộng rãi SIB.
Canxi có sẵn rất nhiều và có thể dễ dàng tích hợp vào NFM mà không làm tăng đáng kể chi phí. Điều này sẽ mang lại lợi ích đáng kể cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn bằng giải pháp bền vững, tiết kiệm chi phí hơn. Hơn nữa, canxi còn giải quyết vấn đề khan hiếm lithium, đảm bảo chuỗi cung ứng ổn định cho các loại pin sạc, dùng cho các thiết bị điện tử.
