Theo các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Pacific Penn State và Northwest (PNNL) cho biết, một cấu trúc rất mới được phát hiện của vật liệu gốc natri có thể cho phép các vật liệu này sử dụng như một chất điện phân trong pin.
Nhóm nghiên cứu hiện đang nỗ lực tinh chỉnh các vật liệu này bằng cách ứng dụng phương pháp tiếp cận thiết kế lặp đi lặp lại mà họ hy vọng sẽ có thể sớm đưa vào sử dụng thực tế hàng ngày.
Chất điện phân, là một trong ba phần chính của pin, chịu trách nhiệm chuyển ion tích điện trong pin rắn (solid-state battery). Quy trình này sẽ tạo ra dòng điện khi hai bộ phận khác của pin, cực dương và cực âm, được kết nối trong mạch điện. Hầu hết các loại pin có thể sạc lại trong các dòng điện thoại thông minh, máy tính và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác đều sử dụng chất điện phân dạng lỏng, gốc lithium.
Donghai Wang, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Penn State nói: “Các chất điện phân lỏng thường gặp sự cố an toàn vì chúng dễ cháy nổ. Đó là động lực thúc đẩy chúng tôi tìm ra một nguyên liệu tốt để sử dụng trong các loại pin rắn”.
Vật liệu mới của nhóm nghiên cứu bao gồm có natri, photpho, thiếc và lưu huỳnh và có hình dạng tinh thể bốn cạnh. Nó có các góc khuyết, hoặc các khoảng trống để nguyên tử natri, thiếc và lưu huỳnh chuyển hóa ion.
Do natri có nhiều hơn hơn lithium nên pin natri-ion sẽ có tiềm năng lớn, rẻ hơn nhiều so với giá thành pin lithium-ion. Vật liệu này cũng an toàn khi sử dụng hơn rất nhiều.
“Vật liệu của chúng tôi có một điện áp mở rộng cũng như có độ ổn định nhiệt cao. Khi nhiệt chất điện phân lỏng lên đến 150 độ C ( 302 độ F), chúng sẽ bắt lửa hoặc giải phóng nhiều nhiệt (pin rất nóng) có thể làm hỏng pin hoặc các thành phần điện tử khác. Trong khi đó vật liệu của chúng tôi hoạt động rất tốt, lên đến 400 độ C (752 độ F)”, Zhaoxin Yu, nhà nghiên cứu về cơ khí và kỹ thuật hạt nhân tại Penn State nói.
Theo báo cáo của nhóm đăng trên tạp chí Nano Energy, vật liệu của nhóm nghiên cứu có dẫn suất ion nhiệt độ phòng khoảng bằng 1/10 chất lỏng điện phân được sử dụng trong các loại pin ngày nay. Họ nói rằng, khám phá quan trọng đó là hình dạng của các góc khuyết bên trong cấu trúc tinh thể.
“Phát hiện về cấu trúc mới của vật liệu này của chúng tôi cũng cho chúng ta thấy có một con đường để tạo ra một hệ chất dẫn natri – ion tiên tiến mới”, Shun-Li Shang, giáo sư vật liệu tại Penn State nói.
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo và thử nghiệm loại pin mới này trong phòng thí nghiệm của Wang thuộc Trung tâm Pin & Công nghệ Lưu lũy Năng lượng, Penn State. Việc áp dụng quy trình xử lý thiết kế kết hợp này, nhóm nghiên cứu có đủ khả năng xác định được sự hình thành tinh thể khác nhau cũng như tính phi nhất quán bên trong vật liệu đã ảnh hưởng đến hiệu suất của nó như thế nào.
Zi-Kui Liu, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Penn State, nói: “Nếu bạn không có bộ công cụ này thì rất khó để tạo nên bước đột phá. Phương pháp tiếp cận của chúng tôi áp dụng cả các phương pháp tính toán và thí nghiệm đã cho phép chúng tôi phân tích lý do tại sao vật liệu có ảnh hưởng khác nhau. Điều đó sẽ làm cho quá trình thiết kế thực hiện nhanh hơn vì chúng ta biết chúng ta cần kiểm soát những gì để tăng cường vận chuyển ion”.
Viện CyberScience thuộc Penn State đã tiến hành đưa một phần mô hình mẫu của nhóm nghiên cứu hiện diện trong các siêu máy tính chủ.
P.T.T (NASATI), theo https://techxplore.com/news/2018-04-sodium-ion-electrolyte-solid-state-batteries.html,