Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học Tokyo đã chỉ ra rằng pin natri-ion sử dụng cực dương carbon cứng có thể sạc nhanh hơn pin lithium-ion, nhờ phương pháp điện cực pha loãng cho thấy quá trình chèn natri về bản chất diễn ra nhanh hơn lithium.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học Tokyo (TUS) phát hiện rằng pin natri-ion (SIB) sử dụng cực dương carbon cứng (HC) có thể sạc nhanh hơn pin lithium-ion (LIB), qua đó thách thức những giả định lâu nay trong nghiên cứu pin.

Nhóm nghiên cứu tìm cách giải quyết vấn đề trong các phép thử pin truyền thống – vốn thường đánh giá thấp tốc độ sạc thực sự của carbon cứng do hiện tượng quá điện áp nồng độ trong điện cực composite.

Trong quá trình sạc nhanh, cấu trúc composite dày đặc của điện cực có thể gây ra tình trạng “ùn tắc ion”, khi sự vận chuyển ion trong chất điện giải giới hạn tốc độ phản ứng. Điều này khiến giới hạn tốc độ sạc của HC, cũng như sự so sánh giữa tốc độ chèn natri và lithium, trở nên không rõ ràng.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Chemical Science với tiêu đề “Revealing the Kinetic Limits of Sodiation and Lithiation at Hard Carbon Using the Diluted Electrode Method” đã trình bày phép so sánh định lượng động học chèn natri và lithium mà không bị giới hạn bởi sự vận chuyển chất điện giải, thông qua phương pháp điện cực pha loãng (DEM).

Phương pháp DEM được tiên phong bởi Giáo sư Kingo Ariyoshi của Đại học Đô thị Osaka. Nghiên cứu của ông cho thấy bột HC hoạt tính ở cực âm được thay thế một phần bằng bột nhôm oxit (aluminum oxide) – vật liệu không hoạt động điện hóa.

Kết quả cho thấy quá trình natri hóa (sodiation) diễn ra nhanh hơn quá trình lithium hóa (lithiation) trên cùng một điện cực carbon cứng. Bước quyết định tốc độ được xác định là cơ chế lấp đầy lỗ rỗng, trong đó natri cần năng lượng thấp hơn lithium để hình thành các cụm giả kim loại trong các lỗ nano của carbon cứng.

Loại carbon có cấu trúc tinh thể thấp và xốp này có thể lưu trữ lượng lớn natri, cho phép pin natri-ion đạt mật độ năng lượng tương đương pin lithium-ion thương mại.

Những hình ảnh này minh họa các điện cực với các tỷ lệ khác nhau giữa carbon cứng (màu đỏ) và Al₂O₃ (màu xanh lá), trong đó Al₂O₃ là vật liệu trơ về mặt điện hóa. Khi sử dụng các phiên bản điện cực được pha loãng hơn, một số hiện tượng giới hạn tốc độ có thể được loại bỏ, cho phép các nhà khoa học đo lường chính xác hơn động học ion trong carbon cứng.

Giáo sư Shinichi Komaba, Khoa Hóa học Ứng dụng của TUS, cho biết kết quả đã chứng minh định lượng rằng tốc độ sạc của pin natri-ion sử dụng cực dương HC có thể đạt mức nhanh hơn pin lithium-ion.

“Một trọng tâm quan trọng trong phát triển vật liệu HC cải tiến cho pin natri-ion sạc nhanh là đạt được động học lấp đầy lỗ rỗng nhanh hơn, để có thể khai thác ở tốc độ sạc cao,” Komaba nói.
Cùng với nghiên cứu sinh tiến sĩ năm ba Yuki Fujii và Trợ lý Giáo sư Zachary T. Gossage, nhóm đã tạo ra điện cực pha loãng bằng cách kết hợp các hạt HC với vật liệu trơ điện hóa như nhôm oxit.

Ở tỷ lệ phù hợp, phương pháp này đảm bảo mỗi hạt HC được bao quanh bởi nguồn ion dồi dào, loại bỏ các vấn đề vận chuyển ion thường gặp trong chất điện giải và tại cực âm.

Nhờ cách tiếp cận này, các nhà nghiên cứu có thể đo lường và so sánh hiệu quả tốc độ tối đa của quá trình natri hóa (chèn natri), xen kẽ lithium (intercalation) và lithium hóa (chèn lithium) vào HC.

Hơn nữa, quá trình natri hóa trong điện cực HC pha loãng cho thấy khả năng đáp ứng tốc độ tương đương với quá trình xen kẽ lithium trong điện cực graphite pha loãng.
Komaba cho biết:

“Kết quả của chúng tôi cung cấp bằng chứng rõ ràng và định lượng về tiềm năng tốc độ cao của HC. Thông qua các thử nghiệm và phân tích chi tiết bằng phương pháp quét thế vòng (cyclic voltammetry), phổ trở kháng điện hóa và đo dòng điện theo bước thế, chúng tôi nhận thấy quá trình natri hóa về bản chất nhanh hơn lithium hóa trên cùng một điện cực âm.”

“Điều này được xác nhận bằng cách tính hệ số khuếch tán biểu kiến – thước đo tốc độ di chuyển của ion trong vật liệu – vốn nhìn chung cao hơn đối với natri so với lithium.”

Ông nhấn mạnh rằng kết quả chứng minh định lượng tốc độ sạc của pin natri-ion với cực dương HC có thể nhanh hơn pin lithium-ion.

Bước quyết định tốc độ

Nhóm nghiên cứu cũng xác định chính xác rằng bước quyết định tốc độ của toàn bộ quá trình sạc là cơ chế lấp đầy lỗ rỗng – xảy ra khi ion kết tụ thành các cụm giả kim loại bên trong lỗ nano của HC.

Trong khi giai đoạn đầu của quá trình sạc (hấp phụ/xen kẽ) diễn ra rất nhanh với cả hai loại ion, tốc độ phản ứng tổng thể cuối cùng bị giới hạn bởi hiệu quả của quá trình lấp đầy lỗ rỗng.

Phân tích động học hóa học chi tiết cho thấy natri cần ít năng lượng hơn lithium để hình thành các cụm này, điều này giúp giải thích lợi thế về tốc độ quan sát được. Việc xác định được “nút thắt cổ chai” này cung cấp định hướng rõ ràng cho việc thiết kế pin nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Komaba cho biết, một trọng tâm quan trọng trong phát triển vật liệu HC cải tiến cho pin natri-ion sạc nhanh là cải thiện động học của quá trình lấp đầy lỗ rỗng để có thể khai thác ở tốc độ sạc cao.
“Bên cạnh đó, kết quả của chúng tôi cho thấy quá trình chèn natri ít nhạy cảm với nhiệt độ hơn, do năng lượng hoạt hóa nhỏ hơn so với lithium hóa.”

Nhóm nghiên cứu kết luận rằng các phát hiện này cho thấy pin natri-ion là một lựa chọn rẻ hơn và an toàn hơn so với pin lithium-ion, đồng thời mang lại lợi thế về tốc độ sạc và khả năng vận hành ổn định hơn.