Hình ảnh kính hiển vi điện tử chuyển tiếp của vật liệu catốt mới được tổng hợp cho pin natri-ion (trái).
Biểu đồ trên cùng cho thấy biến dạng và ứng suất phát triển trong cấu trúc catốt phân lớp khi được đạp xe (biểu đồ bên phải)
Các nhà nghiên cứu của Bộ Năng lượng đã đạt được tiến bộ trong việc tạo ra các thiết bị lưu trữ năng lượng tốt hơn, rẻ hơn cho mục đích thương mại.
Các nhà nghiên cứu tại Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DoE) đã có một khám phá quan trọng mà họ cho là có thể cải thiện hiệu suất của một loại hóa chất trong pin có khả năng thay thế pin lithium-ion trong xe điện.
Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng đã phát hiện ra yếu tố chính dẫn đến hạn chế hiệu suất của pin natri-ion sau nhiều chu kỳ sạc-xả. Các nhà nghiên cứu cho biết phát hiện này mở đường cho các thiết kế mới cho loại pin này, loại pin có thể được sử dụng trong xe điện cũng như các mục đích thương mại khác.
Vì nhiều lý do, pin natri-ion là lựa chọn tốt nhất để thay thế pin lithium-ion trong tương lai. Natri là một nguyên liệu phong phú tự nhiên và có tác động môi trường thấp hơn nhiều và ít tốn kém hơn so với các nguồn lithium. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cho biết, pin natri-ion có khả năng lưu trữ năng lượng cao ở bất kỳ trọng lượng hoặc thể tích nhất định nào khi được quay vòng ở điện áp cao (4,5 volt).
Các nhà nghiên cứu cho biết, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy các khiếm khuyết trong cấu trúc nguyên tử trong quá trình chuẩn bị vật liệu cực âm cho pin natri-ion. Những khiếm khuyết này cuối cùng dẫn đến tình trạng cấu trúc giống như động đất ở cực âm, với sự sụt giảm nghiêm trọng về hiệu suất trong giai đoạn chu kỳ của pin.
Các nhà nghiên cứu cho biết, công nghệ hiện tại giúp các nhà phát triển pin điều chỉnh các điều kiện tổng hợp để tạo ra cực âm natri-ion ưu việt cho pin, từ đó cải thiện hiệu suất của pin.
Khalil Amine, thành viên nghiên cứu xuất sắc của Argonne cho biết trong một thông cáo báo chí: “Những hiểu biết sâu sắc của chúng tôi rất quan trọng đối với việc sản xuất catốt natri-ion cải tiến trên quy mô lớn. "Với rất nhiều vật liệu liên quan, chẳng hạn như 1.000 kg, nhiệt độ có thể thay đổi rất nhiều trừ khi được thực hiện các biện pháp thích hợp, nếu không sẽ dẫn đến sự hình thành nhiều khuyết tật."
Khám phá sự tổng hợp của vật liệu
Các nhà nghiên cứu làm việc tại Trung tâm Vật liệu nano Argonne (CNM) và Nguồn Photon tiên tiến (APS), nơi họ tổng hợp vật liệu catốt để có thể theo dõi những thay đổi trong cấu trúc nguyên tử của nó trong thời gian thực.
Trong quy trình này, các nhà sản xuất vật liệu cần làm nóng từ từ hỗn hợp catốt trong không khí đến nhiệt độ rất cao, giữ nó trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó nhanh chóng hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ phòng.
Trong phân tích của họ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trong quá trình làm lạnh nhanh, bề mặt của các hạt catốt trở nên kém nhẵn hơn và xuất hiện biến dạng trên diện rộng. Dữ liệu cũng cho thấy rằng trong quá trình quay vòng catốt, hiệu ứng giằng co xảy ra ở những vùng này, dẫn đến nứt các hạt catốt và giảm hiệu suất.
Các nhà nghiên cứu cho biết, nhiều nghiên cứu đã phát hiện ra rằng hiệu suất của pin suy giảm khi cực âm ở nhiệt độ cao hoặc 130 độ F hoặc khi pin ở trạng thái sạc nhanh (ví dụ: sạc nhanh 1 giờ so với sạc 10 giờ).
Nhóm nghiên cứu đã xuất bản một bài báo trên tạp chí Nature Communications.
Guiliang Xu, một nhà hóa học trợ lý trong bộ phận kỹ thuật và khoa học hóa học của Argonne, người đã tham gia nghiên cứu, cho biết các nhà nghiên cứu có kế hoạch kết hợp công việc này với nghiên cứu trước đó về cải thiện cực dương cho pin natri-ion để cải thiện 20% hiệu suất của các thiết bị trong tương lai để 40%.
"Ngoài ra, điều rất quan trọng là pin sẽ duy trì hiệu suất này khi đạp xe ở điện áp cao trong thời gian dài," Guiliang Xu nói. Điều này có thể cho phép những chiếc xe điện có giá cả phải chăng hơn với phạm vi lái xe dài hơn và chi phí lưu trữ năng lượng lưới điện thấp hơn .