Một nhóm nhà nghiên cứu tại Trung Quốc vừa công bố bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực pin kim loại natri (SMB) trên trang Live Science. Họ phát triển thành công gel điện phân bán rắn có tên Sn-FB QSE, giải quyết hiện tượng hình thành dendrite – rào cản lớn nhất của công nghệ này. Thành tựu cho phép sạc đầy pin từ 0% lên 100% chỉ trong 4 phút, đồng thời duy trì độ ổn định sau hàng nghìn giờ hoạt động.
Hiệu suất vượt trội trong thử nghiệm
Nhóm nghiên cứu tiến hành sạc và xả pin liên tục trong hơn 6.000 giờ mà không xuất hiện dendrite gây đoản mạch. Khi sạc từ 0% lên 100% trong 4 phút, pin duy trì mức điện lượng 80,1 mAh g–1, tương đương khoảng một nửa dung lượng pin lithium-ion (Li-ion). Ở chế độ sạc chậm hơn, hoàn tất trong 20 phút, pin 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 giúp giảm chi phí và cải thiện độ an toàn.
So sánh với pin lithium-ion và natri-ion
Pin lithium-ion hiện chiếm ưu thế trong điện thoại thông minh, xe điện và thiết bị điện tử, nhưng có chi phí sản xuất cao do phụ thuộc vào lithium và coban – những kim loại khó khai thác, nguồn cung hạn chế, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ. Pin natri-ion (Na-ion) giá rẻ hơn, an toàn hơn nhưng kích thước lớn, trọng lượng nặng. Pin kim loại natri (SMB) kết hợp ưu điểm của cả hai: sử dụng cực âm bằng kim loại natri nguyên chất thay vì than chì hay carbon cứng, giúp nhẹ hơn, giảm chi phí, kích thước tương đương Li-ion. Ngoài ra, ion natri kích thước lớn không thể nhanh chóng di chuyển tới điểm rách trên vách ngăn để kích hoạt thermal runaway, tăng độ an toàn.
Tiềm năng cho xe điện
Tốc độ sạc là một trong những rào cản lớn đối với xe điện (EV). Mẫu xe sạc nhanh nhất hiện nay là BYD Denza, có thể sạc từ 10% lên 70% trong 5 phút nhưng yêu cầu hệ thống sạc độc quyền 1 MW. Tesla Model 3 sạc từ 10% lên 70% trong khoảng 15 phút với bộ sạc 250 kW, nhưng với bộ sạc 50 kW, thời gian lên 80% có thể kéo dài 90 phút (theo Zapmap). Nếu SMB duy trì khả năng sạc cực nhanh mà không yêu cầu hạ tầng đặc biệt, công nghệ này mang lại lợi thế lớn cho ngành xe điện, đặc biệt trong giao thông công cộng hoặc ô tô sử dụng hằng ngày.
Thách thức trước khi thương mại hóa
Dù kết quả hứa hẹn, pin SMB cần thêm thời gian trước khi ra thị trường. Nhóm nghiên cứu cho biết nếu các vấn đề về dendrite và hoạt động ở nhiệt độ thấp tiếp tục được giải quyết, đồng thời công nghệ được nhân rộng sản xuất, SMB có thể thay đổi bài toán kinh tế ngành pin trong thập kỷ tới. Việc ứng dụng trên điện thoại thông minh khó khăn hơn do nhiệt độ thay đổi mạnh ảnh hưởng đến chất điện phân dạng gel. Ngoài ra, kết quả cần được tái lập trong nhiều thử nghiệm độc lập trước khi nhà sản xuất tin tưởng thay thế cực âm than chì bằng kim loại natri nguyên chất.
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 được giải quyết, SMB có thể trở thành một trong những nền tảng công nghệ pin đáng chú ý nhất thập kỷ tới, đặc biệt trong lĩnh vực đòi hỏi chi phí thấp, độ an toàn cao và khả năng sạc siêu nhanh.
