Công nghệ vật liệu điện phân thủy tinh, hiện thực hóa pin natri-lưu huỳnh thể rắn

Pin Lithium-ion hiện là công nghệ được sử dụng để lưu trữ và cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, nhưng quá đắt đối với những hệ thống lưu trữ điện năng quy mô lưới trong thời gian dài. Trong khi đó, lithium càng ngày càng khan hiếm hơn.

Vật liệu lithium có nhiều lợi thế - mật độ năng lượng cao và khả năng kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo để hỗ trợ lưu trữ năng lượng lưới điện.

Nhưng giá thành của lithium cacbonat đang ở mức cao nhất trong lịch sử. Việc khai thác các mỏ lithium gây tổn thất nặng nề cho môi trường.

Tất cả các quốc gia và ngành công nghiệp trên khắp thế giới đều mong muốn tìm ra những phương án lưu trữ năng lượng bền vững cho quá trình chuyển đổi sang năng lượng xanh, sạch. Một nghiên cứu mới được thực hiện tại Đại học Houston cho thấy công nghệ pin natri-lưu huỳnh thể rắn là giải pháp thay thế khả thi cho công nghệ pin trên cơ sở lithium, cho các hệ thống lưu trữ năng lượng cấp lưới điện. Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications

Yan Yao, GS Kỹ thuật Điện và Máy tính Cullen cùng các đồng nghiệp đã phát triển một chất điện phân thủy tinh đồng nhất, cho phép mạ thuận nghịch và tách natri ở mật độ dòng điện lớn hơn so với những nguyên mẫu pin natri – lưu huỳnh trước đây.

GS Yao, nghiên cứu viên thuộc Trung tâm Siêu dẫn Texas tại Đại học Houston Mỹ cho biết, mục tiêu đặt ra là tìm kiếm chất điện phân rắn mới cho pin natri thể rắn, yêu cầu chi phí thấp, dễ chế tạo và có độ ổn định cơ học và hóa học cao (TcSUH).

Cho đến nay, không có chất điện phân rắn natri nào có thể đạt được cả bốn yêu cầu này cùng một lúc.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện được một dạng mới của chất điện phân thủy tinh oxysulfide, có khả năng đáp ứng tất cả những yêu cầu này. Các nhà khoa học đã sử dụng quy trình nghiền bi năng lượng cao để tạo ra các chất điện phân thủy tinh ở nhiệt độ phòng.

GS Yan Yao và nhà nghiên cứu Ye Zhang làm việc với pin natri thể rắn. Ảnh Đại học Houston

Nhóm nghiên cứu cho biết, thủy tinh oxysulfide có cấu trúc vi mô đặc biệt, khiến cấu trúc tổng thể thủy tinh hoàn toàn đồng nhất. Tại bề mặt phân cách giữa kim loại natri và chất điện phân, hình thành pha tự thụ động rất cần thiết cho quá trình mạ thuận nghịch và tách natri.

Trong những nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học đã xác định, khó đạt được lớp mạ ổn định và tách kim loại natri khi sử dụng chất điện phân sunfua. Nghiên cứu mới đã thay đổi nhận thức này, bằng cách thiết lập không chỉ mật độ dòng tới hạn cao nhất trong số tất cả các chất điện phân rắn gốc sunfua Na-ion, đồng thời tạo ra pin natri-lưu huỳnh, hoạt động ở nhiệt độ môi trường hiệu suất cao.

Công trình nghiên cứu đã cung cấp một mô hình mới để thiết kế và phát triển pin natri lưu huỳnh trạng thái rắn an toàn, chi phí thấp, mật độ năng lượng và tuổi thọ cao.