Ngày: 20/12/2025.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học Tokyo đã chứng minh rằng pin ion natri với cực dương carbon cứng có thể sạc nhanh hơn pin ion liti bằng cách sử dụng phương pháp điện cực pha loãng, cho thấy quá trình chèn natri về bản chất nhanh hơn so với liti.
Một cụm ắc quy ion natri
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học Tokyo (TUS) đã phát hiện ra rằng pin ion natri (SIB) sử dụng cực dương carbon cứng (HC) có thể sạc nhanh hơn pin ion liti (LIB), thách thức những giả định lâu nay trong nghiên cứu về pin.
Nhóm nghiên cứu đã tìm cách giải quyết vấn đề các phương pháp thử nghiệm pin thông thường thường đánh giá thấp tốc độ sạc thực tế của HC do các vấn đề về quá áp nồng độ trong điện cực hỗn hợp.
Trong quá trình sạc nhanh, cấu trúc composite dày đặc của điện cực có thể gây ra hiện tượng "tắc nghẽn giao thông ion", trong đó sự vận chuyển ion trong chất điện giải hạn chế tốc độ phản ứng, khiến cho tốc độ sạc của HC bị giới hạn, cũng như tốc độ chèn natri so với liti vẫn chưa rõ ràng.
Các phát hiện được công bố trên tạp chí Chemical Science có tiêu đề “ Hé lộ giới hạn động học của quá trình natri hóa và lithi hóa trên cacbon cứng bằng phương pháp điện cực pha loãng ”, trình bày so sánh định lượng của nhóm nghiên cứu TUS về động học chèn natri và lithi mà không có giới hạn vận chuyển chất điện giải, sử dụng phương pháp điện cực pha loãng (DEM).
Công nghệ DEM được tiên phong bởi Giáo sư Kingo Ariyoshi thuộc Đại học Thủ đô Osaka, người đã nghiên cứu và phát hiện ra rằng bột HC hoạt tính ở điện cực âm được thay thế một phần bằng bột oxit nhôm, một chất không hoạt động về mặt điện hóa.
Quá trình natri hóa được phát hiện diễn ra nhanh hơn quá trình lithi hóa đối với cùng một điện cực âm bằng carbon cứng, với bước quyết định tốc độ được xác định là cơ chế lấp đầy lỗ xốp, trong đó natri cần ít năng lượng hơn lithi để tạo thành các cụm giả kim loại trong các lỗ xốp nano của carbon cứng.
Loại carbon có cấu trúc tinh thể thấp và xốp này có thể lưu trữ một lượng lớn natri, cho phép pin natri-ion (SIB) đạt được mật độ năng lượng tương đương với pin lithium-ion (LIB) thương mại.
Những hình ảnh này mô tả các điện cực với tỷ lệ khác nhau giữa carbon cứng (màu đỏ) và Al2O3 (màu xanh lá cây), trong đó Al2O3 trơ về mặt điện hóa. Bằng cách sử dụng các phiên bản điện cực có tỷ lệ pha loãng hơn, một số hiện tượng hạn chế tốc độ có thể được tránh, cho phép các nhà khoa học đo lường chính xác hơn động học ion trong carbon cứng. Hình ảnh: Giáo sư Shinichi Komaba từ Đại học Khoa học Tokyo, Nhật Bản, CC BY 2.0
Giáo sư Tiến sĩ Shinichi Komaba thuộc Khoa Hóa học Ứng dụng của Đại học TUS cho biết, kết quả nghiên cứu đã chứng minh định lượng rằng tốc độ sạc của pin SIB sử dụng cực dương HC có thể đạt tốc độ nhanh hơn so với pin LIB.
Komaba cho biết: “Một điểm trọng tâm quan trọng trong việc phát triển vật liệu HC cải tiến cho pin SIB sạc nhanh là đạt được động học nhanh hơn của quá trình lấp đầy lỗ rỗng để chúng có thể được sử dụng ở tốc độ sạc cao”.
Cùng với nghiên cứu sinh tiến sĩ năm thứ ba Yuki Fujii và trợ lý giáo sư Zachary T. Gossage thuộc Khoa Hóa học Ứng dụng, phương pháp điện cực pha loãng của nhóm nghiên cứu bao gồm việc tạo ra một điện cực kết hợp cả các hạt HC và một vật liệu trơ về mặt điện hóa như oxit nhôm.
Ở tỷ lệ thích hợp, nó đảm bảo rằng mỗi hạt HC được bao quanh bởi một lượng ion dồi dào, loại bỏ các vấn đề vận chuyển ion thường gặp trong chất điện giải và tại điện cực âm.
Bằng cách sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã có thể đo lường và so sánh hiệu quả tốc độ tối đa của quá trình natri hóa (chèn natri), xen kẽ lithi và lithi hóa (chèn lithi) vào HC.
Hơn nữa, quá trình natri hóa vào điện cực HC pha loãng cho thấy khả năng tốc độ tương đương với quá trình chèn lithium vào điện cực than chì pha loãng.
“Kết quả của chúng tôi đã cung cấp bằng chứng rõ ràng và định lượng về tiềm năng tốc độ cao của HC. Thông qua thử nghiệm và phân tích chi tiết bằng phương pháp đo điện thế tuần hoàn, đo phổ trở kháng điện hóa và đo dòng điện theo thời gian ở các bước điện thế khác nhau, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng quá trình natri hóa về bản chất nhanh hơn quá trình lithi hóa đối với cùng một điện cực âm,” Komaba cho biết.
“Điều này đã được xác nhận bằng cách tính toán hệ số khuếch tán biểu kiến — một thước đo tốc độ di chuyển của các ion qua vật liệu — nhìn chung cao hơn đối với natri so với liti.”
Komaba nói thêm rằng các kết quả chứng minh định lượng rằng tốc độ sạc của pin SIB sử dụng cực dương HC có thể đạt tốc độ nhanh hơn so với pin LIB.
Bước quyết định tốc độ
Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã xác định chính xác rằng bước quyết định tốc độ của toàn bộ quá trình sạc là cơ chế lấp đầy lỗ xốp, xảy ra khi các ion tập hợp lại để tạo thành các cụm giả kim loại bên trong các lỗ xốp nano của HC.
Mặc dù giai đoạn ban đầu của quá trình nạp điện (hấp phụ/xen kẽ) diễn ra rất nhanh đối với cả hai ion, tốc độ của toàn bộ phản ứng cuối cùng bị giới hạn bởi hiệu quả của quá trình lấp đầy lỗ xốp.
Phân tích động học hóa học chi tiết cho thấy natri cần ít năng lượng hơn lithi để tạo thành các cụm này, điều này giúp giải thích lợi thế về tốc độ quan sát được. Bằng cách xác định điểm nghẽn này, nghiên cứu này cung cấp hướng đi rõ ràng cho việc thiết kế pin nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Komaba cho biết một điểm trọng tâm quan trọng trong việc phát triển vật liệu HC cải tiến cho pin SIB sạc nhanh là đạt được động học nhanh hơn của quá trình lấp đầy lỗ rỗng để chúng có thể được sử dụng ở tốc độ sạc cao.
“Ngoài ra, kết quả của chúng tôi cho thấy quá trình chèn natri ít nhạy cảm với nhiệt độ hơn, dựa trên giả định về năng lượng hoạt hóa nhỏ hơn so với quá trình lithi hóa.”
Nhóm nghiên cứu kết luận rằng, các phát hiện của họ cho thấy pin ion natri (SIB) là một lựa chọn thay thế rẻ hơn và an toàn hơn so với pin lithium-ion (LIB), mang lại lợi thế về hiệu suất trong tốc độ sạc và có thể hoạt động ổn định hơn so với LIB.
Mọi thông tin tư vấn về điện mặt trời doanh nghiệp hay gia đình xin liên hệ:
Thông qua Messenger của MPSe
Điện thoại / Zalo: 0904 686 673
Youtube: https://www.youtube.com/@MaiPhuongSolar-MPSE/shorts
Tiktok: https://www.tiktok.com/@mpse27
Mai Phương Solar Energy – Giải pháp năng lượng sạch cho tương lai bền vững
