Pin lithium và pin chì là các loại pin phổ biến, khá quen thuộc với mọi người. Nhưng pin natri-lưu huỳnh (Na-S) đang nổi lên như là tương lai của công nghệ pin. Lithium chỉ chiếm 0,002% lớp vỏ Trái đất, trong khi natri chiếm hơn 2,5%. Natri dồi dào hơn và thân thiện với môi trường hơn so với lithium.
Các nghiên cứu trước đây cho thấy pin Na-S có giá thành thấp hơn, cung cấp mật độ năng lượng cao, nhẹ, cần ít nước hơn trong quá trình sản xuất, chịu được điều kiện nhiệt độ cao, có tuổi thọ dài hơn so với pin thông thường.
Vậy điều gì ngăn cản việc sản xuất và sử dụng pin Na-S trên quy mô lớn? Thiết kế pin Na-S hiện tại có độ dẫn điện kém, hiệu suất thấp và nhiều vấn đề về an toàn. Nguyên nhân gốc rễ của những vấn đề này là giao diện tiếp xúc điện cực - chất điện phân không ổn định.
Ví dụ, chất điện phân thông thường sử dụng trong pin Na-S là chất điện phân rắn beta-alumina (BASE) natri nóng chảy. Chất điện phân này không thể ngăn ngừa sự hình thành các dendrite natri, là các cấu trúc vi mô nhọn gây ra hiện tượng đoản mạch.
Hơn nữa, BASE cũng không thể hạn chế hoạt động của natri polysulfide, sản phẩm phụ hình thành do phản ứng giữa natri và lưu huỳnh. Sản phẩm phụ này liên tục di chuyển qua lại giữa hai điện cực, làm giảm hiệu suất và dung lượng pin (còn gọi là hiệu ứng dịch chuyển polysulfide).
Để khắc phục những hạn chế này, nhóm nghiên cứu của Đại học Sư phạm Phúc Kiến phát triển chất điện phân polymer bán rắn gốc muối kép (DS-QSPE). Chất điện phân này có thể ổn định hiệu quả giao diện điện cực - chất điện phân và ngăn chặn hiệu ứng dịch chuyển polysulfide trong pin Na-S ở nhiệt độ phòng.
DS-QSPE là chất điện phân polymer bán rắn, có nghĩa là nó kết hợp các đặc tính của cả chất điện phân dạng rắn và lỏng. Chất điện phân như vậy thường được tạo ra bằng cách kết hợp chất điện phân lỏng vào ma trận polymer, tạo ra vật liệu dạng gel hoặc bán rắn.
Khi thử nghiệm DS-QSPE, kết quả cho thấy nó có độ dẫn điện cao, giao diện ổn định và hiệu suất vượt trội. DS-QSPE cung cấp dung lượng cao khoảng 327,4 mAh•g−1 (dựa trên khối lượng của SPAN) sau 200 chu kỳ ở 0,2 A•g−1, giữ lại 81,4% dung lượng ban đầu. Hiệu suất này vượt trội đáng kể so với pin sử dụng chất điện phân lỏng.
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Phúc Kiến cho biết, DS-QSPE cung cấp giải pháp đáng tin cậy và có thể mở rộng quy mô, giúp nâng cao cả hiệu suất và độ ổn định của pin Na-S.
Pin lithium-ion rất phù hợp cho xe điện và các giải pháp năng lượng quy mô vừa và nhỏ khác. Tuy nhiên, tình trạng khan hiếm lithium, tác hại môi trường của việc khai thác lithium và việc sử dụng kim loại nặng (như niken, coban) trong pin li-ion đang buộc các nhà khoa học phải tìm kiếm các giải pháp thay thế.
Theo các nhà nghiên cứu, thế giới cần những loại pin có tiềm năng thúc đẩy việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo trên quy mô lớn bằng cách cung cấp phương tiện lưu trữ năng lượng ổn định, hiệu quả và chi phí thấp. Pin natri-lưu huỳnh là một trong những lựa chọn tiềm năng như vậy.