Sạc đầy pin trong 4 phút: Công nghệ thay thế lithium-ion chính thức bước ra ánh sáng?

Theo trang tin khoa học Live Science, một nhóm nhà nghiên cứu tại Trung Quốc vừa công bố bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực pin kim loại natri (Sodium Metal Battery - SMB), khi phát triển thành công một loại gel điện phân bán rắn có khả năng giải quyết một trong những rào cản lớn nhất của công nghệ này, đó là sự hình thành cấu trúc nhánh cây (dendrite).

Thành tựu mới không chỉ giúp pin sạc đầy chỉ trong 4 phút mà còn duy trì độ ổn định sau hàng nghìn giờ hoạt động, mở ra triển vọng thương mại hóa một giải pháp lưu trữ năng lượng giá rẻ, an toàn hơn so với pin lithium-ion (Li-ion).

Trong nhiều năm qua, pin kim loại natri được xem là ứng viên tiềm năng thay thế pin Li-ion nhờ chi phí thấp, tốc độ sạc rất nhanh và không phụ thuộc vào các kim loại có nguồn cung tập trung như lithium hay coban.

Không giống pin natri-ion (Na-ion), SMB sử dụng cực âm (anode) bằng kim loại natri nguyên chất thay vì than chì hoặc carbon cứng.

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chủ yếu tồn tại trong phòng thí nghiệm do gặp phải hiện tượng hình thành dendrite, các cấu trúc dạng nhánh sắc nhọn xuất hiện khi ion natri lắng đọng trên bề mặt cực âm có độ phản ứng cao.

Theo thời gian, các cấu trúc này phát triển đủ dài để nối cực dương (cathode) với cực âm, gây đoản mạch và làm hỏng pin.

Vấn đề đặc biệt nghiêm trọng ở pin natri bởi natri là kim loại có tính phản ứng rất cao. Trong quá trình hoạt động, cực âm phản ứng với chất điện phân để tạo thành lớp oxit bảo vệ SEI (Solid Electrolyte Interphase), thường dày khoảng 10–50 nanomet, tương đương kích thước của một virus nhỏ.

Ở pin natri, lớp SEI này dễ bị nứt, tạo ra các điểm lồi lõm khiến ion natri tiếp tục tập trung và tích tụ thành các dendrite, làm suy giảm tuổi thọ cũng như độ an toàn của pin.

Gel điện phân bán rắn giúp ngăn dendrite

Để khắc phục hạn chế trên, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại gel điện phân dạng bán rắn có độ dai cao mang tên Sn-FB QSE.

Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu mới vừa tăng khả năng chống đâm thủng của pin, vừa tạo nên cấu trúc bán rắn bên trong giúp ngăn chặn sự phát triển của dendrite ngay từ đầu.

Để đánh giá độ bền của công nghệ, nhóm nghiên cứu tiến hành sạc và xả pin liên tục trong hơn 6.000 giờ mà không xuất hiện hiện tượng dendrite gây đoản mạch.

Đáng chú ý hơn, khi sạc từ 0% lên 100% chỉ trong 4 phút, pin vẫn duy trì mức điện lượng 80,1 mAh g–1, tương đương khoảng một nửa lượng điện tích mà pin Li-ion có thể duy trì.

Ở chế độ sạc chậm hơn, hoàn tất từ 0% đến 100% trong 20 phút, pin vẫn giữ được 90% dung lượng sau 2.000 chu kỳ sạc - xả. Theo nhóm nghiên cứu, đây là mức tương đương giới hạn lý thuyết của pin Li-ion, đồng thời tốc độ sạc thấp hơn cũng giúp giảm chi phí và cải thiện độ an toàn.

Kết quả trên gây chú ý bởi SMB đạt được độ bền cao trong khi vẫn sạc nhanh hơn đáng kể so với pin Li-ion hiện nay.

Có lẽ, tốc độ sạc từ lâu được xem là một trong những rào cản lớn nhất đối với xe điện (EV).

Hiện mẫu xe điện có khả năng sạc nhanh nhất được công bố là BYD Denza. Theo nhà sản xuất Trung Quốc, mẫu xe này có thể sạc từ 10% lên 70% chỉ trong 5 phút, nhưng phải sử dụng hệ thống sạc độc quyền công suất 1 MW.

Trong khi đó, Tesla cho biết Model 3 có thể sạc từ 10% lên 70% trong khoảng 15 phút bằng bộ sạc siêu tốc 250 kW của hãng. Tuy nhiên, theo nền tảng định tuyến xe điện Zapmap, cũng với mẫu xe này, thời gian để sạc lên 80% bằng bộ sạc 50 kW có thể kéo dài tới 90 phút.

Những con số trên cho thấy nếu SMB có thể duy trì khả năng sạc cực nhanh mà không yêu cầu hạ tầng sạc quá đặc biệt, công nghệ này sẽ mang lại lợi thế đáng kể cho ngành xe điện.

Hiện nay, phần lớn điện thoại thông minh, xe điện và các thiết bị điện tử đều sử dụng pin Li-ion. Tuy nhiên, loại pin này có chi phí sản xuất cao do phụ thuộc vào lithium và coban, những kim loại khó khai thác và có nguồn cung hạn chế, đồng thời vẫn tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

Đó là lý do nhiều nhà sản xuất đang thúc đẩy thương mại hóa pin natri-ion nhờ giá thành thấp và độ an toàn cao hơn. Dù vậy, pin Na-ion có nhược điểm là kích thước lớn và trọng lượng nặng hơn pin Li-ion.

Về lý thuyết, pin kim loại natri có thể kết hợp ưu điểm của cả hai công nghệ.

Việc sử dụng cực âm bằng kim loại natri thay cho than chì hoặc carbon cứng giúp SMB nhẹ hơn, giảm chi phí sản xuất và có khả năng đạt kích thước cũng như khối lượng tương đương pin Li-ion.

Ngoài ra, SMB còn được đánh giá an toàn hơn nhờ sử dụng ion natri có kích thước lớn. Các ion này không thể nhanh chóng di chuyển tới những điểm rách trên vách ngăn của pin để kích hoạt hiện tượng thermal runaway, chuỗi phản ứng tự duy trì có thể khiến pin bốc cháy khi bị hư hỏng.

Vẫn còn nhiều thách thức trước khi thương mại hóa

Dù kết quả nghiên cứu rất hứa hẹn, các nhà khoa học cho rằng pin SMB vẫn cần thêm thời gian trước khi có thể xuất hiện trên thị trường.

Theo nhóm nghiên cứu, nếu các vấn đề liên quan đến sự hình thành dendrite và khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp tiếp tục được giải quyết, đồng thời công nghệ có thể được nhân rộng và sản xuất ở quy mô công nghiệp, SMB hoàn toàn có thể làm thay đổi bài toán kinh tế của ngành pin trong thập kỷ tới.

Các nhà nghiên cứu đánh giá SMB đặc biệt phù hợp với xe điện phục vụ giao thông công cộng hoặc ô tô sử dụng hằng ngày. Mặc dù phạm vi hoạt động có thể thấp hơn so với các phương tiện sử dụng pin Na-ion và Li-ion, lợi thế về tốc độ sạc sẽ giúp công nghệ này trở nên hấp dẫn trong nhiều kịch bản vận hành.

Tuy nhiên, việc ứng dụng trên điện thoại thông minh và các thiết bị điện tử tiêu dùng sẽ khó khăn hơn. Những thiết bị này thường xuyên phải hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thay đổi mạnh, có thể ảnh hưởng đến thành phần hóa học của các loại pin sử dụng chất điện phân dạng gel.

Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu vẫn cần được tái lập trong nhiều thử nghiệm độc lập trước khi các nhà sản xuất đủ tin tưởng để thay thế các cấu trúc cực âm bằng than chì quen thuộc bằng kim loại natri nguyên chất.

Dù còn không ít rào cản, nghiên cứu mới cho thấy pin kim loại natri đang tiến thêm một bước quan trọng từ lý thuyết đến ứng dụng thực tế.

Nếu những thách thức còn lại tiếp tục được giải quyết, pin kim loại natri (Sodium Metal Battery - SMB)có thể trở thành một trong những nền tảng công nghệ pin đáng chú ý nhất trong thập kỷ tới, đặc biệt ở các lĩnh vực đòi hỏi chi phí thấp, độ an toàn cao và khả năng sạc siêu nhanh.

* Nguồn: Live Science.

Minh Ngọc