Hiện nay, pin lithium-ion đang chiếm lĩnh thị trường, nhưng lithium tương đối khan hiếm và đắt đỏ. Do đó, các nhà khoa học đang tìm kiếm các giải pháp thay thế rẻ hơn, dồi dào hơn và có hiệu suất mạnh mẽ tương đương.
Một lựa chọn đầy hứa hẹn là pin natri-ion. Natri có sẵn phổ biến, giá thành rẻ, hấp dẫn cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Tuy nhiên, cho đến gần đây, pin natri-ion vẫn chưa rõ hiệu suất có thể sánh ngang, hoặc thậm chí vượt trội so với pin lithium-ion, đặc biệt về tốc độ sạc nhanh.
Một nghiên cứu mới từ các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học Tokyo (Nhật Bản) cho thấy điều đó hoàn toàn có thể. Nhóm nghiên cứu phát hiện pin natri-ion sử dụng vật liệu carbon đặc biệt có thể sạc nhanh hơn so với pin lithium-ion tương đương.
Vật liệu chính tạo nên hiệu suất này được gọi là carbon cứng. Carbon cứng là một dạng carbon có cấu trúc xốp, không trật tự. Các lỗ nhỏ li ti này có thể lưu trữ một lượng lớn ion natri, cho phép pin natri-ion đạt được mức năng lượng tương tự như pin lithium-ion hiện nay.
Các nhà khoa học từ lâu nghi ngờ rằng carbon cứng cho phép sạc nhanh, nhưng việc chứng minh điều đó rất khó khăn. Thách thức nằm ở cách thức kiểm tra pin thông thường. Trong pin thực tế, điện cực là hỗn hợp đặc các vật liệu hoạt tính và các thành phần khác.
Trong quá trình sạc nhanh, các ion có thể bị kẹt trong cấu trúc dày đặc này, tạo ra cái mà các nhà nghiên cứu mô tả là “ùn tắc giao thông ion”. Điều này làm chậm phản ứng và che giấu tốc độ thực sự của chính vật liệu.
Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu sử dụng một kỹ thuật khéo léo, gọi là phương pháp điện cực pha loãng. Họ trộn các hạt carbon cứng với một vật liệu trơ, để mỗi hạt carbon có đủ không gian và tiếp xúc được với các ion.
Điều này loại bỏ các điểm nghẽn thường gặp, cho phép các nhà nghiên cứu đo lường tốc độ di chuyển thực sự các ion natri và lithium có thể vào carbon cứng. Kết quả thật ấn tượng. Các ion natri đi vào carbon cứng nhanh hơn các ion lithium trong cùng điều kiện.
Trên thực tế, tốc độ sạc của pin natri-ion sử dụng carbon cứng tương đương hoặc vượt trội so với pin lithium-ion sử dụng than chì, vật liệu tiêu chuẩn của pin lithium. Các phép đo cho thấy, các ion natri di chuyển nhanh hơn qua cấu trúc carbon, khẳng định ưu điểm của chúng.
Các nhà nghiên cứu cũng xác định được yếu tố chính hạn chế tốc độ sạc. Bên trong carbon cứng, các ion đầu tiên bám vào bề mặt, sau đó di chuyển vào các lỗ nhỏ li ti, nơi chúng tập hợp thành từng cụm. Bước lấp đầy các lỗ này, hóa ra lại là phần chậm nhất của quá trình sạc.
Điều quan trọng hơn là các ion natri cần ít năng lượng hơn các ion lithium để hoàn thành bước này. Điều này giúp giải thích tại sao pin natri-ion có thể sạc nhanh hơn pin lithium-ion.
Theo giáo sư Shinichi Komaba, trưởng nhóm nghiên cứu, nghiên cứu này cung cấp bằng chứng rõ ràng rằng pin natri-ion không chỉ là lựa chọn thay thế rẻ hơn mà còn mang lại lợi ích thực sự về hiệu suất.
Sạc nhanh hơn, kết hợp nguồn vật liệu dồi dào và hoạt động ổn định, làm cho pin natri-ion trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với các ứng dụng công suất cao và lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Kết quả nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Chemical Science.
