Các nhà nghiên cứu tại Đức vừa công bố một điện cực dương giá rẻ, có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin natri-ion. Được phát triển bởi các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu và thử nghiệm vật liệu Liên bang (BAM), cực dương dạng lõi-vỏ mới này kết hợp hiệu quả hiệu suất và dung lượng lưu trữ cao.

Cực dương này cũng giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng lớn trong chu kỳ sạc đầu tiên, một trong những nhược điểm lớn nhất hạn chế sự phát triển của pin natri-ion. Thiết kế này đạt hiệu suất ban đầu cao gấp 4 lần so với các cực dương không phủ lớp bảo vệ.

Pin natri-ion được xem là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion, đặc biệt là trong việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Natri rẻ hơn lithium khoảng 50 lần và việc khai thác ít gây hại hơn cho môi trường. Hơn nữa, natri dồi dào và thân thiện với môi trường hơn lithium.

Tuy nhiên, pin lithium-ion thường xuyên đạt hiệu suất trên 90%, pin natri-ion lại khó đạt mức này. Điều này do sự hao hụt dung lượng lưu trữ không thể phục hồi trong lần sạc đầu tiên, khi pin được sản xuất. Sự hao hụt này xảy ra trước khi pin đưa vào sử dụng, do phản ứng hóa học giữa cực dương và chất điện phân (chất lỏng dẫn điện trong pin).

Trong quá trình này, các phân tử chất điện phân bị phân hủy tại cực dương carbon cứng và xâm nhập vào các lỗ rỗng của nó. Chúng được cho là chiếm giữ các “không gian trống” dành cho việc lưu trữ ion natri. Quá trình này chỉ dừng lại khi có lớp màng bảo vệ ổn định hình thành trên cực dương.

Mặc dù lớp bảo vệ mỏng này ngăn ngừa hư hại thêm, nhưng nó lại tiêu thụ các ion natri, do đó làm giảm vĩnh viễn năng lượng sử dụng được của pin. Pin lithium-ion tránh được vấn đề này nhờ các cực dương từ than chì dày đặc. Trong khi đó, natri không thể lưu trữ trong than chì.

Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu ở Đức tạo ra điện cực dương cấu trúc lõi-vỏ, tách biệt việc lưu trữ năng lượng khỏi việc hình thành màng bảo vệ. Nó cũng có lõi carbon cứng dạng xốp để có dung lượng lưu trữ cao, và được phủ một lớp ngoài siêu mỏng hoạt động như bộ lọc phân tử.

Lớp vỏ mới cho phép các ion natri đi qua tự do, trong khi ngăn chặn các phân tử chất điện phân lớn hơn gây ra các phản ứng phụ không mong muốn. Kết quả là, lớp màng bảo vệ được hình thành một cách có kiểm soát trên lớp vỏ, thay vì nằm sâu bên trong lõi xốp.

Điều này giúp bảo toàn dung lượng lưu trữ của cực dương, giúp pin duy trì hiệu suất qua nhiều chu kỳ sạc. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, cực dương đạt hiệu suất chu kỳ sạc đầu tiên là 82%. Con số này tăng mạnh đáng kể so với chỉ 18% đối với cực dương carbon cứng không phủ lớp bảo vệ.

Hầu hết cải tiến về pin đều nhắm vào vật liệu cực âm, vốn đang tiến gần đến giới hạn lý thuyết của chúng. Trong khi đó, với vật liệu cực dương, vẫn chưa hoàn toàn chắc chắn giới hạn này đến đâu và những đổi mới nào trong phát triển vật liệu có thể sử dụng để đạt được tiến bộ hơn nữa, Paul Appel, nhà nghiên cứu làm việc trong dự án, chỉ ra trong một thông cáo báo chí.

Các nhà nghiên cứu từ BAM, Helmholtz Zentrum Berlin và Đại học Humboldt Berlin sẽ tiếp tục phát triển vật liệu cực dương này tại Phòng thí nghiệm pin Berlin. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie.