Do các nguồn lithi trên toàn thế giới cứ liên tục suy giảm nên thế hệ tiếp theo của các thiết bị điện tử xách tay nhiều khả năng sẽ được cung cấp năng lượng bằng thứ gì khác chứ không phải pin Li-ion. Một ứng cử viên tiềm năng đó là pin natri-ion (Na-ion), loại pin này nổi bật bởi vì natri rẻ hơn, không độc hại và phong phú hơn lithi.

Hiện tại, một trong những trở  ngại lớn nhất của Na-ion đó là, những loại pin này mất nhiều thời gian để tích điện và phóng điện, và tỷ lệ phóng điện chậm không cung cấp đủ mật độ năng lượng cho các ứng dụng công suất lớn. Nhìn chung, có một sự đánh đổi giữa tỷ lệ tích điện hoặc phóng điện với điện dung, vì thế việc nỗ lực làm tăng tỷ lệ tích điện hoặc phóng điện đã làm giảm điện dung một cách nghiêm trọng.

Nhóm các nhà nghiên cứu do giáo sư Yong Lei (Trường Đại học Kỹ thuật Ilmenau - Đức) dẫn đầu đã đạt được sự cải thiện đáng kể ở lĩnh vực này. Các nghiên cứu đã cho thấy loại pin Na-ion thể hiện tỷ lệ tích điện hoặc phóng điện và các giá trị điện dung cao nhất từ trước tới nay đối với cả pin Na-ion và Li-ion. Sự cải thiện này có thể giúp dẫn lối cho việc tích hợp các loại pin Na-ion vào những thiết bị điện tử xách tay và các thiết bị điện tử mang trên người.

Để đạt được sự cải thiện này, các nghiên cứu gia phải xem xét một vài tính chất cơ bản của natri. Natri và lithi có chung khuynh hướng làm mất electron, điều này làm cho chúng trở thành những chất liệu cực dương tốt. Tuy nhiên, các ion natri lớn hơn các ion lithi gần 25%. Kích thước lớn hơn này khiến cho các ion natri được chèn vào cấu trúc tinh thể của các điện cực khó khăn hơn, đây chính là nơi xảy ra các phản ứng hóa học. Kết quả là, các ion không thể di chuyển nhanh, điều này bắt nguồn từ vấn đề tích điện hoặc phóng điện chậm. Do vấn đề này mà việc vận chuyển điện tích và độ bền của các vật liệu cũng cần được cải thiện.

Mặc dù các nhà nghiên cứu không thể giảm kích thước của các ion natri nhưng họ có thể cải thiện hiệu quả các ion natri này để chèn vào những điện cực. Để làm được điều này, các chuyên gia đã sử dụng một chiến lược thiết kế phân tử dựa vào việc mở rộng hệ liên hợp π của chất liệu điện cực, hệ thống này về cơ bản liên quan đến việc điều khiển con đường mà những phân tử này liên kết với nhau. Hệ liên hiệp π mở rộng này cũng cải thiện khả năng vận chuyển điện tích và làm ổn định các tình trạng tích điện hoặc phóng điện để chúng có thể chịu được việc chèn hoặc chiết ion natri nhanh.

Xét về hiệu suất pin, sự thay đổi này đem lại những cải thiện đáng kể. Như thường lệ, vẫn có một sự đánh đổi giữa tỷ lệ tích điện hoặc phóng điện với điện dung. Nhưng những loại pin Na-ion mới này có thể hoạt động ở mật độ dòng điện (10 A/g vs. 10 mA/g) cao hơn 1.000 lần so với hầu hết những loại pin Na-ion hữu cơ được báo cáo trước đây, trong khi đó vẫn có điện dung cao hơn nhiều (72 mAh/g).

Ở mật độ dòng điện trung gian (1 A/g), loại pin mới này phóng ra điện dung đảo ngược đáng ấn tượng (160 mAh/g), đây là một trong những giá trị cao nhất được báo cáo từ trước tới nay đối với cả pin Na-ion và Li-ion hữu cơ. Loại pin này còn thể hiện khả năng giữ điện dung tốt (giữ 70% sau 400 chu trình).

“Trong công trình nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào thiết kế phân tử để cải thiện hiệu suất pin và nhắm đến khó khăn hiện tại là giải quyết sự tích điện và phóng điện nhanh ở các loại pin Na-ion hữu cơ”, giáo sư Lei cho biết. “Nhờ chiến lược thiết kế phân tử hữu cơ hợp lý, chúng tôi đã cho thấy rằng việc mở rộng hệ liên hợp π là cách hữu hiệu để cải thiện hiệu suất, giúp tăng điện dung và độ bền của chất liệu. Chúng tôi cũng cho rằng công trình nghiên cứu của chúng tôi dẫn lối cho việc mở rộng tìm kiếm những chất liệu điện cực mới từ những chất liệu vô cơ truyền thống cho đến các chất liệu hữu cơ, và có thể thu hút thêm sự chú ý về lĩnh vực này”.

A.T (Physorg)