Bước đột phá trong lĩnh vực xe điện bắt nguồn từ việc sử dụng một chất phụ gia giá rẻ cho công nghệ pin natri thể rắn, được thực hiện bởi nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS). Theo công bố, đột phá mới giúp cải thiện khả năng di chuyển của ion và ngăn chặn sự hình thành các kim loại nguy hiểm bên trong pin.

Thách thức lớn nhất mà pin ion natri phải đối mặt là vấn đề an toàn. Mặc dù natri có giá thành rẻ hơn và dồi dào hơn lithium, hầu hết các pin natri hiện nay vẫn sử dụng chất điện phân lỏng dễ cháy, có nguy cơ rò rỉ hoặc bắt lửa. Trong khi đó, chất điện phân polymer rắn được coi là lựa chọn an toàn hơn, nhưng thường gặp phải vấn đề về độ dẫn điện kém và sự tiếp xúc không ổn định với điện cực kim loại natri. Theo thời gian, các nhánh tinh thể (dendrite) có thể phát triển bên trong pin, dẫn đến hiện tượng đoản mạch.

Nhóm nghiên cứu NUS đã giải quyết cả hai vấn đề này bằng cách sử dụng cacbon nitrit graphit (GCN), một vật liệu được tạo ra từ việc nung urê ở nhiệt độ 550°C. Chất phụ gia này được trộn vào màng điện phân polymer làm từ polyetylen oxit và muối natri. Theo các nhà nghiên cứu, các tấm GCN siêu mỏng đã giúp sắp xếp lại cấu trúc polymer, từ đó cải thiện khả năng di chuyển của ion natri và tăng cường độ bền cơ học của pin.

Pin xe điện sẽ rẻ hơn và an toàn hơn

Chất phụ gia này không chỉ hiệu quả mà còn có chi phí thấp. Dung dịch điện phân được cải tiến đã làm tăng độ dẫn điện ion lên hơn gấp đôi ở nhiệt độ 55°C, đồng thời cải thiện hệ số chuyển dịch ion natri từ 0,19 lên 0,51. Các vị trí giàu nitơ trên bề mặt GCN giúp tách các ion natri khỏi các cặp muối của chúng, làm tăng số lượng ion mang điện tích có sẵn trong quá trình hoạt động.

Phó Giáo sư Palani Balaya từ NUS cho biết: “Điều làm nên sức mạnh của phương pháp chúng tôi chính là sự đơn giản. GCN có thể được tạo ra từ một trong những tiền chất hóa học phổ biến nhất trên thế giới và được tích hợp vào hệ thống polymer vốn đã có khả năng sản xuất quy mô lớn”.

Chất phụ gia này cũng giúp giải quyết vấn đề lớn khác trong pin natri-kim loại: sự hình thành các nhánh tinh thể. Việc sạc và xả lặp đi lặp lại có thể gây ra hiện tượng tích tụ natri không đều trên bề mặt điện cực, dẫn đến sự phát triển của các nhánh tinh thể xuyên qua chất điện phân và phá hủy pin. Theo các nhà nghiên cứu, polymer được tăng cường bằng GCN trở nên bền hơn gấp ba lần so với phiên bản không được biến đổi, cho phép nó chống lại sự xâm nhập của các nhánh tinh thể.