Pin Na-ion đang được đánh giá là giải pháp thay thế bền vững và tiết kiệm chi phí cho pin Li-ion. Tuy nhiên, loại pin này vẫn gặp một số hạn chế nhất định về độ ổn định và tuổi thọ trong điều kiện sử dụng khác nhau. Nghiên cứu này đã cho thấy thiết kế vật liệu đóng vai trò then chốt trong việc quyết định tuổi thọ và độ ổn định của loại pin này.
Một loại vật liệu đang thu hút nhiều sự chú ý là oxit mangan natri dạng lớp (NaMnO2), được sử dụng làm catốt cho pin natri-ion. GS Shinichi Komaba - Đại học Khoa học Tokyo cho biết, kết quả của nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng, các oxit dựa trên mangan là giải pháp đầy hứa hẹn và bền vững để phát triển pin Na-ion với độ bền cao. Với chi phí thấp, nghiên cứu có thể giúp tạo ra các giải pháp lưu trữ năng lượng với giá thành phải chăng hơn cho nhiều ứng dụng khác nhau như điện thoại thông minh và xe điện, từ đó thúc đẩy tương lai phát triển bền vững hơn.
Oxit mangan natri là giải pháp đầy hứa hẹn và bền vững giúp pin Na-ion có độ bền cao (nguồn: Fahroni image).
Trong nghiên cứu, các nhà khoa học phát hiện NaMnO2 tồn tại dưới hai dạng tinh thể là α-NaMnO2 và β-NaMnO2. Dạng α có cấu trúc lớp đơn tà, trong đó các lớp MnO2 bị biến dạng tạo thành các bát diện MnO6 kết nối nhau theo cạnh, xếp xen kẽ với các ion Natri. Ngược lại, dạng β có cấu trúc gấp khúc hoặc hình răng cưa, cũng được tạo thành từ các lớp MnO6 bị biến dạng, đan xen với ion Natri. Tuy nhiên, quá trình tổng hợp β-NaMnO2 thường đòi hỏi nhiệt độ cao, dẫn đến các pha thiếu Natri, đây là điểm yếu lớn trong sản xuất.
Các nhà nghiên cứu cho biết, việc cố gắng ngăn chặn tình trạng thiếu Natri trong vật liệu thường dẫn đến sự hình thành các pha β không cân bằng, trong đó chứa nhiều lỗi - đặc biệt là lỗi xếp lớp (SF). Những lỗi này hình thành do sự trượt của mặt tinh thể, tạo ra các chuỗi xếp lớp giống với pha α. Các điện cực làm từ β-NaMnO2 chứa SF thường gặp hiện tượng giảm dung lượng nghiêm trọng sau nhiều chu kỳ sạc/xả, khiến chúng khó ứng dụng trong thực tế. Đồng thời, các lỗi này cũng làm phức tạp thêm việc nghiên cứu hóa học trạng thái rắn của vật liệu.
GS Shinichi Komaba chia sẻ, trong một nghiên cứu trước đây, nhóm nhận thấy trong số các nguyên tố kim loại được pha tạp, trong đó đồng là nguyên tố duy nhất có thể ổn định pha β-NaMnO₂ thành công. Trong nghiên cứu lần này, nhóm đã khảo sát có hệ thống cách pha tạp đồng giúp ức chế sự hình thành SF và cải thiện hiệu suất điện hóa của các điện cực β-NaMnO₂ trong pin Na-ion.
Kết quả của nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Advanced Materials cho thấy, vật liệu được ký hiệu NMCO-12 không bị suy giảm dung lượng sau 150 chu kỳ sạc/xả. Điều này chứng minh rằng, pha β không chứa SF có khả năng đảo ngược cao và bền vững trước sự trượt lớp không đồng đều, cũng như sự thay đổi lớn về thể tích mạng tinh thể trong quá trình chèn và tách ion Natri. Kết quả này cho thấy, ảnh hưởng tích cực của các oxit dựa trên Mangan đối với sự phát triển của pin natri-ion.
Ngoài ra, nghiên cứu còn chứng minh được rằng, việc ổn định các lỗi xếp lớp nhờ pha tạp đồng không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giúp giải quyết các vấn đề dễ đứt gãy chuỗi cung ứng thường gặp ở các kim loại hiếm như lithium. Tiềm năng ứng dụng của phát hiện này được kỳ vọng sẽ lan rộng đến các lĩnh vực như lưu trữ điện cho lưới điện, phương tiện giao thông điện và thiết bị điện tử tiêu dùng.
Xuân Bình