Do sự phụ thuộc ngày càng tăng của chúng ta vào các thiết bị điện tử, các nhà nghiên cứu luôn tìm kiếm các vật liệu pin có đặc tính tốt hơn. Các vật liệu pin thông thường, như lithium, có thể gặp phải những nhược điểm như quá nhiệt và vấn đề nguồn cung vật liệu, dẫn đến rủi ro về an toàn và chi phí cao hơn.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc giới thiệu thiết kế pin natri-lưu huỳnh (Na-S) mới, có thể là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho pin lithium, do sự dồi dào của natri và tiềm năng lưu trữ năng lượng cao. Nghiên cứu mới này, công bố trên tạp chí Nature, mô tả thiết kế pin không có cực dương, dựa trên natri và lưu huỳnh, cung cấp điện áp cao.
Đây không phải là thiết kế pin đầu tiên kết hợp natri và lưu huỳnh. Nhưng các pin Na-S trước đây gặp phải các vấn đề hạn chế tính khả thi của chúng. Một số pin Na-S sử dụng S/Na2S, bị hạn chế bởi điện áp thấp và yêu cầu lượng natri cao. Mặc dù phản ứng oxy hóa khử lưu huỳnh hóa trị cao (S0/S4+) cung cấp điện áp cao hơn, khoảng 3,6 V, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa tìm ra cách tạo ra phản ứng này ở nhiệt độ phòng do rào cản năng lượng.
Theo các nhà nghiên cứu, phản ứng chuyển đổi S/Na2S ở cực âm tạo ra điện áp phóng điện hạn chế dưới 1,6 V so với Na/Na+, thấp hơn nhiều so với điện áp đạt được bởi cực âm của pin Li và Na hiện nay. Ngoài ra, việc sử dụng một lượng lớn natri ở cực dương, làm giảm hiệu quả chi phí và độ an toàn, đồng thời làm giảm mật độ năng lượng và công suất khả dụng.
Điểm mấu chốt của thiết kế mới là “mở khóa” phản ứng oxy hóa khử S0/S4+ có hóa trị cao để tạo ra pin Na-S không cần cực dương, điện áp cao ở nhiệt độ phòng thông thường. Thiết kế mới gồm cực âm S8, bộ thu dòng điện cực dương bằng lá nhôm (Al), màng ngăn bằng sợi thủy tinh và natri dicyanamide (NaDCA) trong chất điện phân chloroaluminate không cháy. Pin mới này cung cấp điện áp phóng điện 3,6 V.
Các nghiên cứu về cơ chế cho thấy, anion dicyanamide trong chất điện phân chloroaluminate được tối ưu hóa, đóng vai trò quan trọng trong việc mở khóa phản ứng hóa học cực âm S/SCl4, đồng thời tăng cường khả năng đảo ngược quá trình mạ/tách natri ở cực dương, từ đó cùng nhau tạo ra pin Na-S không cực dương, điện áp cao với hiệu suất điện hóa tốt nhất và tính khả thi cao, các tác giả nghiên cứu cho biết.
Thiết kế mới này đạt mật độ năng lượng tối đa 1.198 Wh/kg, dung lượng phóng điện 715 mAh/g và mật độ công suất 23.773 W/kg. Nhóm nghiên cứu cho biết, việc kết hợp chất xúc tác Bi-COF vào cực âm đã làm tăng thêm dung lượng phóng điện lên 1.206 mAh/g và mật độ năng lượng lên 2.021 Wh/kg.
Nhóm nghiên cứu ước tính chi phí của thiết kế mới thấp hơn nhiều so với các giải pháp thay thế hiện tại. Độ an toàn cũng được tăng cường nhờ sử dụng chất điện phân NaDCA, vốn không bắt lửa, trái ngược với chất điện phân lỏng trong pin lithium. Sự dồi dào của natri và tác động khai thác thấp hơn cũng khiến nó trở thành vật liệu bền vững hơn so với lithium.
Mặc dù nhóm nghiên cứu cho rằng, pin mới này rất hứa hẹn cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng, nhưng vẫn còn một số hạn chế trước khi có thể sử dụng một cách thực tế. Một vấn đề cần giải quyết là chất điện phân gốc AlCl3/SOCl2 có tính ăn mòn và khó xử lý, cần nghiên cứu thêm. Ngoài ra, độ ổn định trong không khí chỉ trong thời gian ngắn, có nghĩa là độ an toàn khi tiếp xúc lâu dài hoặc trên quy mô lớn vẫn chưa chắc chắn.
Tuy nhiên, nếu các hạn chế này được giải quyết, thiết kế mới có tiềm năng giải quyết các vấn đề quan trọng về chuỗi cung ứng và an toàn trong công nghệ pin hiện nay. Các tác giả nghiên cứu cho rằng, loại pin mới này hứa hẹn ứng dụng trong lưu trữ năng lượng lưới điện và thiết bị điện tử đeo được.
