Pin cung cấp năng lượng cho hầu hết mọi thứ chúng ta sử dụng hằng ngày, từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay đến xe điện. Nhưng loại pin phổ biến nhất, pin lithium-ion, lại có những nhược điểm nghiêm trọng.

Chúng dựa vào chất điện phân lỏng dễ cháy, khá tốn kém để sản xuất và sử dụng các vật liệu hiếm như lithium, phải được khai thác với số lượng lớn. Các nhà khoa học tại Đại học Western tin rằng họ có thể có lựa chọn tốt hơn, đó là pin natri thể rắn.

Tiến sĩ Yang Zhao, giáo sư tại Đại học Western, cho hay, natri dồi dào hơn và rẻ hơn nhiều so với lithium. Nếu các nhà nghiên cứu có thể làm cho pin natri hoạt động hiệu quả, họ có thể cung cấp giải pháp thay thế an toàn và giá cả phải chăng hơn pin lithium.

Một bước quan trọng hướng đến mục tiêu này là tạo ra chất điện phân rắn, vật liệu bên trong pin giúp các ion di chuyển từ bên này sang bên kia. Khác với chất điện phân lỏng trong pin lithium-ion, chất điện phân rắn không dễ cháy và có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều hơn.

Thách thức là các ion natri không dễ dàng di chuyển qua hầu hết vật liệu rắn. Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu tạo ra chất điện phân rắn mới làm từ lưu huỳnh và clo. Các chất điện phân rắn truyền thống thường ổn định, nhưng không cho phép các ion di chuyển nhanh.

Thành phần lưu huỳnh trong thiết kế mới đã thay đổi điều này, bằng cách giúp các ion natri di chuyển dễ dàng hơn qua vật liệu. Điều này làm tăng độ dẫn điện, tức tốc độ di chuyển của các ion và củng cố cấu trúc của chất điện phân.

Nghiên cứu của họ, cho thấy vật liệu mới không chỉ dẫn ion natri cực kỳ tốt mà còn rất ổn định dưới nhiệt độ cao và ứng suất cơ học. Điều này rất quan trọng vì pin phải chịu được hàng nghìn chu kỳ sạc và xả, hoạt động đáng tin cậy ở các nhiệt độ khác nhau.

Nhiều thiết kế pin thể rắn hiện có bị hỏng khi chất điện phân rắn phản ứng với các thành phần khác của pin. Vật liệu phát triển tại Đại học Western tránh được vấn đề này, duy trì ổn định ngay cả khi tiếp xúc với các thành phần khác của pin.

Để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của vật liệu mới, Zhao và các cộng sự đã sử dụng tia X mạnh tại Canadian Light Source, một cơ sở nghiên cứu quốc gia đặt tại Đại học Saskatchewan, Canada.

Những tia X này cho phép các nhà nghiên cứu quan sát cách các ion di chuyển bên trong vật liệu, phát hiện ra các đường dẫn và tương tác hóa học không thể quan sát được bằng thiết bị phòng thí nghiệm thông thường.

Tiến sĩ Yang Zhao cho biết, kỹ thuật hình ảnh tiên tiến này rất cần thiết cho việc thiết kế pin thế hệ tiếp theo. Mặc dù pin natri thể rắn còn phải mất vài năm nữa mới có thể thương mại hóa, nhưng tiến bộ mà nhóm nghiên cứu tại Đại học Western đạt được rất đáng khích lệ.

Các nhà khoa học tin rằng, với việc tiếp tục nghiên cứu, loại pin này có thể mang đến lựa chọn an toàn, bền vững và giá cả phải chăng hơn cho nhiều thứ, từ thiết bị điện tử cầm tay đến ô tô điện. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials và Advanced Materials.