Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa phát triển loại pin natri-ion mang tính đột phá, có thể loại bỏ hiệu quả hiện tượng quá nhiệt, một trong những lỗi nguy hiểm nhất của pin, bằng cách tạo ra thứ gọi là tường lửa thông minh bên trong pin.
Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học từ Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc (CAS). Dẫn đầu là Tiến sĩ Yong-Sheng Hu, giáo sư tại Viện vật lý, chuyên nghiên cứu về vật liệu tiên tiến cho pin natri-ion và lithium-ion.
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu chế tạo chất điện phân tự bảo vệ, không bắt lửa, có khả năng ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt trong pin natri-ion. Đây là lần đầu tiên mức độ an toàn như vậy đạt được trong các loại pin dung lượng cao.
Hiện tượng quá nhiệt là trạng thái tự nóng lên nhanh chóng và không thể kiểm soát ở pin lithium-ion, trong đó nhiệt độ bên trong tăng hơn 2°C mỗi phút. Phản ứng dây chuyền xảy ra khi lượng nhiệt sinh ra vượt quá lượng nhiệt tản ra, dẫn đến nhiệt độ vượt quá 300°C. Sau đó, nó gây ra hiện tượng thoát khí, cháy hoặc nổ.
Đây là mối lo ngại thường xuyên đối với xe điện, các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu Trung Quốc chế tạo chất điện phân có thể trùng hợp (polymer hóa), không bắt lửa (gọi tắt PNE), tận dụng hiệu ứng hòa tan giữa anion và cation, đồng thời trải qua quá trình trùng hợp được kích hoạt bằng nhiệt.
Theo nhóm nghiên cứu, chất điện phân này nhanh chóng tạo thành lớp chắn rắn khi nhiệt độ của pin vượt quá 150°C. Sự chuyển pha này tạo ra lớp ngăn cách vật lý bên trong, hạn chế sự truyền nhiệt, ngăn chặn phản ứng dây chuyền trước khi có thể lan rộng. Nói một cách đơn giản, pin tự tạo ra “tường lửa” bên trong chính nó vào thời điểm cần thiết nhất.
Thay vì chỉ có một lớp phòng thủ duy nhất, PNE dạng lỏng có thể trải qua quá trình chuyển pha nhanh chóng và đông đặc thành một rào cản vật lý dày đặc, ngăn chặn hiệu quả sự lan truyền nhiệt và phòng ngừa các vụ cháy nổ thảm khốc thường liên quan đến sự cố pin.
Nhóm nghiên cứu đã xác thực công nghệ này trong một pin natri-ion hình trụ 3,5 ampe giờ (Ah) và chứng minh khả năng ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng quá nhiệt ở quy mô này. Pin hoạt động ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng, từ -40°C đến 60°C và duy trì sự ổn định ở điện áp trên 4,3 V.
Trong các bài kiểm tra độ bền, pin không cho thấy dấu hiệu khói, lửa hoặc nổ khi bị đâm xuyên bởi đinh, một thử nghiệm an toàn tiêu chuẩn được sử dụng để mô phỏng sự đoản mạch bên trong. Nó cũng duy trì ổn định ở nhiệt độ lên đến 300°C, vượt xa giới hạn hoạt động thông thường.
Kết quả cho thấy hệ thống này hoàn toàn ngăn chặn sự cố. Hơn nữa, việc cải thiện an toàn không làm giảm hiệu suất của pin. Pin đạt mật độ năng lượng 211 Watt-giờ trên mỗi kilogram (Wh/kg), nằm trong phạm vi cạnh tranh so với các hệ thống pin natri-ion tiên tiến.
Bước đột phá này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy việc ứng dụng pin natri-ion trong các lĩnh vực mà an toàn là yếu tố không thể thỏa hiệp, chẳng hạn như xe điện, xe tải hạng nặng và hệ thống lưu trữ năng lượng ở quy mô lớn đang phát triển nhanh chóng ở Trung Quốc, các nhà nghiên cứu cho biết. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Energy.
