Khi thế giới đang tìm kiếm các giải pháp thay thế cho pin lithium-ion, pin natri-ion nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Natri có trong lớp vỏ Trái đất nhiều hơn đáng kể so với lithium, giúp loại pin này rẻ hơn và bền vững hơn.
Nhưng có một thách thức lớn với loại pin này là giữ cho chúng ổn định, đáng tin cậy qua nhiều chu kỳ sạc và xả. Một rào cản lớn nằm ở việc lựa chọn vật liệu cực âm, yếu tố quyết định phần lớn đến hiệu suất của pin.
Một trong những vật liệu hứa hẹn nhất là hợp chất gọi là oxit natri mangan (Na₂/₃MnO₂). Hợp chất này cung cấp dung lượng cao mà không phụ thuộc các nguyên tố hiếm hay đắt tiền. Tuy nhiên, hiệu suất của nó cũng có xu hướng giảm nhanh sau nhiều lần sử dụng.
Khi các ion natri di chuyển vào và ra khỏi cực âm trong quá trình sạc và xả, các nguyên tử mangan chuyển đổi giữa hai trạng thái oxy hóa là Mn³⁺ và Mn⁴⁺. Khi Mn³⁺ hình thành, nó làm biến dạng cấu trúc nguyên tử xung quanh, quá trình được gọi là hiệu ứng Jahn-Teller.
Các biến dạng lặp đi, lặp lại này làm căng vật liệu, cuối cùng phá vỡ cấu trúc tinh thể của nó, dẫn đến mất dung lượng nhanh chóng. Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu thử nghiệm thay thế mangan bằng kim loại khác.
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Shinichi Komaba tại Đại học khoa học Tokyo dẫn đầu, chứng minh rằng việc bổ sung một lượng nhỏ scandium (Sc), có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ pin natri-ion, ít nhất là đối với một số loại vật liệu cực âm nhất định.
Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Advanced Materials tháng 9/2025, tập trung vào hai phiên bản của oxit natri mangan, được gọi là polytype P2 và P’2. Hai dạng này trông giống nhau nhưng hoạt động khác nhau ở cấp độ nguyên tử.
Ở dạng P2, các biến dạng xảy ra phân tán, cục bộ. Ở dạng P’2, các biến dạng xếp hàng theo thứ tự, hợp tác. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng, việc pha tạp scandium chỉ hoạt động ở dạng P’2.
Bằng cách bổ sung khoảng 8% scandium, họ có thể kiểm soát sự phát triển của tinh thể và duy trì các biến dạng có trật tự, tạo nên sự ổn định của vật liệu. Vật liệu được pha tạp này ngăn sự thay đổi cấu trúc, giảm các phản ứng phụ không mong muốn với chất điện phân, thậm chí cho thấy khả năng chống ẩm được cải thiện.
Trong các thử nghiệm pin, điện cực P’2 pha tạp scandium vẫn giữ được phần lớn cấu trúc của chúng ngay cả sau hàng trăm chu kỳ. Một pin đầy đủ có kích thước bằng đồng xu được chế tạo bằng vật liệu này vẫn giữ được 60% dung lượng sau 300 chu kỳ sạc-xả, một cải tiến ấn tượng so với phiên bản không pha tạp.
Điều thú vị, nỗ lực sử dụng các kim loại khác như nhôm hoặc ytterbium, không cho thấy lợi ích tương tự, làm nổi bật vai trò độc đáo của scandium. Mặc dù scandium đắt tiền, nhưng kết quả cho thấy ngay cả một lượng nhỏ cũng có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ pin, khiến nó trở thành một chiến lược khả thi.
Phương pháp này không chỉ mở ra hướng phát triển tốt cho pin natri-ion mà còn có thể truyền cảm hứng cho cách tiếp cận mới để tăng cường độ bền các loại pin oxit kim loại phân lớp khác. Với sự phát triển hơn nữa, scandium có thể giúp tạo ra loại pin natri-ion có độ bền cao và tiết kiệm chi phí.
