Một nhóm các nhà khoa học từ nhiều tổ chức ở Úc, Mỹ và Trung Quốc phát hiện được chất điện phân có thể được sử dụng để chế tạo pin kim loại natri ổn định.
Pin Lithium-ion hiện đang thống trị thị trường thiết bị lưu trữ điện, nhưng thực tế này cần thiết phải thay đổi do nhu cầu về pin ngày càng tăng, nhưng nguồn cung cấp lithium ngày càng suy giảm.
Để thúc đẩy sự thay đổi đó, các nhà khoa học phải tìm ra giải pháp thay thế phù hợp. Một lựa chọn tiềm năng là pin natri thể rắn, do natri rất dồi dào trong tự nhiên và dễ sản xuất.
Nhược điểm chính của pin natri là rất dễ bắt lửa hoặc phát nổ. Kim loại natri có hoạt tính cao và sự hình thành các đuôi gai natri trong quá trình hoạt động của pin không thực sự an toàn, đặc biệt khi sử dụng chất điện phân lỏng dễ gây cháy, nổ.
Các nhà khoa học tin rằng, nhược điểm này có thể khắc phục đường bằng giải pháp phát triển chất điện phân phù hợp. Trong nghiên cứu mới này, nhóm nhà khoa học quốc tế phát hiện được một chất điện phân hoạt động tốt khi thử nghiệm cho một số ứng dụng.
Chất điện phân mới được thiết kế và phát triển là polymer rắn không dung môi trên cơ sở chất perfluoropolyether cho pin kim loại natri thể rắn, đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định.
Perfluoropolyether là một polymer đồng trùng hợp khối (block copolymer), loại phân tử có hai hợp chất chính tồn tại ở dạng xen kẽ trong cấu trúc vật chất.
Trong chất điện phân mới này, một trong các loại phân tử là hợp chất cacbon / lưu huỳnh và loại thứ hai là hydrocacbon với phần lớn nguyên tử hydro được thay thế bằng flo. Các nhà nghiên cứu cho biết, vật liệu chuyển từ trạng thái thủy tinh sang nhựa ở nhiệt độ hơi cao, như nhiệt độ ở trong pin.
Để kiểm tra vật liệu này như một chất điện phân trong pin, nhóm nhà khoa học chế tạo 2 nguyên mẫu pin thể rắn giống nhau, cả 2 đều có một điện cực kim loại natri. Hai nguyên mẫu khác nhau về cấu tạo của điện cực thứ hai. Trong một nguyên mẫu, điện cực còn lại được chế tạo bằng natri-vanadi photphat, trong nguyên mẫu thứ hai, điện cực kia được làm bằng natri sắt photphat.
Ảnh hiển vi kỹ thuật số natri lắng đọng trên bộ thu đồng (điện cực) với chất điện phân lỏng và chất điện phân polymer đồng trùng hợp khối cho thấy natri không mọc đuôi gai khi sạc và xả nhiều lần. (Ảnh: Nature Materials (2022)).
Cả hai nguyên mẫu pin đều hoạt động, đều có thể tích điện và xả liên tục 900 chu kỳ, vẫn giữ được hơn 97% công suất ban đầu. Hai nguyên mẫu pin đều ổn định hơn hẳn so với những loại pin làm từ natri khác.
Nguyên mẫu pin natri thể rắn có trọng lượng cao. Pin có thể được sử dụng trong những ứng dụng như thiết bị lưu trữ điện năng cho các trang trại năng lượng gió và mặt trời. Kết quả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials.