Pin natri-ion hiệu suất cao có thể chế tạo bằng cách bổ sung phốt pho

Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng, việc thêm phốt pho vào natri-yttrium-silicate thủy tinh, có thể giúp chế tạo pin natri-ion thế hệ tiếp theo, cải thiện đáng kể hiệu suất của chúng. Theo các nhà nghiên cứu từ Đại học Kogakuin, sự cải thiện này đến từ pha tinh thể Na₅RSi₄O₁₂ (R = nguyên tố đất hiếm), có thể dùng làm vật liệu điện phân rắn cho pin natri-ion thể rắn hoàn toàn.

Nhóm nghiên cứu cho hay, pha tinh thể này có thể thu được dưới dạng ceramic thủy tinh, và việc bổ sung phốt pho (P) vào tiền chất thủy tinh, làm mở rộng đáng kể phạm vi hình thành của pha tinh thể Na₅RSi₄O₁₂. Nghiên cứu công bố trên tạp chí Ceramics International.

Việc bổ sung P dẫn đến sự trùng hợp nhẹ của mạng lưới ba chiều gồm các tứ diện SiO₄ và PO₄ trong thủy tinh Na₄Y_0.6P_0.2Si_2.8O₉, mà không làm thay đổi độ dẫn ion của nó. Trong ceramic thủy tinh Na₄Y_0.6P_0.2Si_2.8O₉, P được phát hiện gần như hòa tan hoàn toàn tại vị trí Si của tinh thể Na₅YSi₄O₁₂, thay vì còn lại trong thủy tinh dư.

Theo nghiên cứu, việc thay thế Si bằng P, có độ âm điện cao hơn Si, có thể ảnh hưởng đến độ dẫn ion của ceramic thủy tinh. Nhóm nghiên cứu cũng cho hay, pin natri-ion có thể hoạt động với nguyên lý tương tự pin lithium-ion, có khả năng sạc và xả nhanh. Do đó, việc ứng dụng thực tiễn pin natri-ion thể rắn hoàn toàn, được nhiều ngành công nghiệp mong đợi.

Trong nghiên cứu này, các loại thủy tinh và ceramic thủy tinh không chứa P và có chứa P đã được tổng hợp, đánh giá bằng nhiều phương pháp phân tích khác nhau, để làm rõ ảnh hưởng của việc bổ sung P đến cấu trúc thủy tinh và trạng thái của P sau khi kết tinh.

Về bản chất, phương pháp này mang lại những hiểu biết đầy hứa hẹn về chất điện phân rắn ion natri hiệu suất cao, rất quan trọng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng. Việc sử dụng chất điện phân vô cơ không cháy, giúp tăng độ an toàn và cho phép sạc nhanh hơn, làm cho các vật liệu này đặc biệt hấp dẫn đối với pin thế hệ tiếp theo.

Pin natri có thể sạc lại, sử dụng ion natri (Na⁺) thay vì ion lithium để lưu trữ và giải phóng năng lượng. Chúng hoạt động trên nguyên lý tương tự như pin lithium-ion. Một trong những lý do chính khiến pin natri thu hút sự chú ý là natri dồi dào và giá rẻ. Natri có sẵn rộng rãi trong muối (natri clorua) và nước biển, nên dễ tiếp cận hơn nhiều so với lithium.

Nguồn cung dồi dào này giúp giảm chi phí nguyên vật liệu và rủi ro chuỗi cung ứng. Ngoài ra, một số loại pin natri có độ an toàn được cải thiện và hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp, khiến chúng đặc biệt hấp dẫn với các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, hỗ trợ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió.