Các nhà nghiên cứu từ Viện công nghệ và hệ thống ceramic Fraunhofer (IKTS) và Đại học Friedrich Schiller Jena, phát triển một loại pin natri-ion mới, tận dụng lignin có trong gỗ thải, có thể sử dụng cho các ứng dụng lưu trữ cố định hoặc di động, nơi không yêu cầu sạc nhanh.

Nghiên cứu này, còn gọi là dự án ThüNaBsE (pin natri-ion Thuringia để lưu trữ năng lượng có thể mở rộng), được tài trợ bởi Bang Thuringia và Quỹ xã hội châu Âu. Sáng kiến ​​này tập trung vào việc chuyển đổi lignin, loại polymer có trong gỗ, thường được xử lý như chất thải công nghiệp, thành vật liệu pin hiệu suất cao.

Lignin là thành phần quan trọng của gỗ. Nó quyết định độ bền và độ cứng của gỗ. Khoảng 20 - 30% khối lượng khô của cây thân gỗ là lignin. Lignin chủ yếu tạo thành từ các khối hydrocarbon, có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng hóa học, bao gồm cả vật liệu điện cực cho pin natri-ion.

Bằng cách này, các nhà khoa học hướng đến việc tránh dùng các kim loại quan trọng như lithium, coban, niken sử dụng trong chuỗi giá trị pin. Họ cũng đặt mục tiêu giảm hàm lượng flo trong điện cực và chất điện phân, và đang thử nghiệm xem có thể loại bỏ nó đến mức nào.

Trong pin của mình, nhóm nghiên cứu phát triển điện cực âm cho pin từ lignin. Fraunhofer IKTS hợp tác với Mercer Rosenthal GmbH, công ty chuyên sản xuất các chất sinh hóa từ bột giấy và gỗ. Lignin được xử lý nhiệt trong điều kiện không có không khí, chuyển đổi thành carbon. Quá trình này tạo ra carbon cứng, vật liệu xốp lý tưởng để lưu trữ ion natri.

Cấu trúc của carbon cứng này rất phù hợp cho việc lưu trữ thuận nghịch các ion natri, Tiến sĩ Cornelius Dirksen từ Fraunhofer IKTS cho biết. Dirksen nhấn mạnh, carbon cứng mang lại hiệu suất điện hóa mạnh mẽ, độ ổn định chu kỳ cao và chi phí sản xuất thấp, đặc biệt khi được lấy từ nguyên liệu thô bền vững.

Trong khi đó, điện cực dương của pin sử dụng vật liệu tương tự Prussian Blue, là hợp chất sắt không độc hại, có đặc tính lưu trữ ion natri. Vật liệu này thân thiện với môi trường, dễ tìm thấy trên thị trường, khiến chúng trở thành sự bổ sung hoàn hảo cho cực dương carbon sinh học.

Các nhà khoa học tại IKTS và Đại học Friedrich Schiller đã và đang chế tạo các mẫu pin trình diễn nhỏ đầu tiên từ vật liệu này, tại các trung tâm thử nghiệm ở Arnstadt, Hermsdorf và Đại học Friedrich Schiller Jena. Các pin này được hỗ trợ bởi các mô phỏng đa vật lý thực tế.

Kết quả thử nghiệm ban đầu đầy hứa hẹn, cho thấy carbon cứng gốc lignin có thể là giải pháp thay thế bền vững cho vật liệu thông thường dùng trong pin natri-ion. Sau 100 chu kỳ sạc và xả, pin trong phòng thí nghiệm không có sự suy giảm đáng kể nào. Mục tiêu là chứng minh pin 1-Ah đạt 200 chu kỳ sạc và xả vào cuối dự án.

Sau khi được phát triển hoàn thiện, pin có thể sử dụng cho các ứng dụng lưu trữ cố định hoặc di động, nơi không cần sạc nhanh. Nhóm nghiên cứu cho biết loại pin này phù hợp với các loại xe công suất thấp, chẳng hạn như xe nhỏ với tốc độ tối đa khoảng 45 km/giờ, hoặc xe nâng ở các kho bãi.