VINACHEM

Hiện nay, ắc quy ion liti là nguồn cấp điện tiêu chuẩn ở các thiết bị điện tử. Nhưng liti không phải là nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền, vì vậy không thích hợp để sản xuất ắc quy cho những ứng dụng lớn như lưu trữ các nguồn điện gió và điện Mặt Trời ở quy mô lớn. Trong khi đó, ắc quy ion natri là phương án thay thế với giá thành thấp cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng như vậy, nhưng những ắc quy ion natri đã có hiện nay thường chỉ đạt mật độ năng lượng thấp, tuổi thọ thấp và không an toàn.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Texas, Austin (Mỹ) đã đạt được một tiến bộ quan trọng trong việc khắc phục những nhược điểm nói trên của ắc quy ion natri bằng cách chế tạo một loại ắc quy ion natri trạng thái rắn, có thể nạp lại, có hiệu quả và tuổi thọ cao đồng thời tránh được rủi ro quá nhiệt.

ắc quy ion natri hoạt động tương tự như ắc quy ion liti. Trong quá trình nạp điện, ion kim loại di chuyển từ catôt (hợp chất chứa natri) qua chất điện ly (dung môi hữu cơ chứa muối natri tan) đến anôt (thường là cacbon). Khi phóng điện, các ion kim loại di chuyển theo chiều ngược lại.

Các nhà khoa học tại ĐHTH Texas đã nghiên cứu sử dụng anôt kim loại thay cho cacbon và sử dụng chất điện ly rắn trong ắc quy ion natri. Anôt bằng natri kim loại có thể lưu trữ điện tích nhiều gấp 4 lần anôt cacbon, vì vậy ắc quy sử dụng loại anôt này có thể lưu trữ và giải phóng nhiều năng lượng hơn. Trong khi đó, ắc quy với chất điện ly rắn sẽ an toàn hơn khi hoạt động ở nhiệt độ cao vì tránh được các rủi ro cháy nổ có thể xảy ra khi sử dụng chất điện ly dạng dung môi dễ bay hơi và dễ cháy.

Các nhà khoa học nói trên đã chế tạo ắc quy thử nghiệm bằng cách sử dụng một lá mỏng natri làm anôt và một lá nhôm phủ natri titanat phốtphat làm catôt. Họ tạo ra các viên nhỏ bằng cách kết hợp các siêu vi cầu (nanosphere) Na3Zr2(PO4)(SiO4)2 dạng sứ và sử dụng chúng làm chất điện ly rắn. Những siêu vi cầu sứ này làm tăng mạnh độ dẫn điện của các ion natri. Nhưng trước đó, khi các nhóm nghiên cứu khác sử dụng những siêu vi cầu sứ này trong ắc quy thì các dendrit nhỏ đã phát triển từ anôt natri, chúng thâm nhập qua chất điện ly đến catôt, do đó gây đoản mạch và làm ắc quy bị nóng.

Một nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu nói trên giải thích, dendrit sinh ra khi dòng ion không đều đi qua bề mặt tương tác giữa anôt và chất điện ly. Nguyên nhân sinh ra dòng ion không đều này là do khó đạt được tiếp xúc tốt giữa anôt natri rắn và chất điện ly rắn cỡ nano.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra những mẹo đơn giản để cải thiện tiếp xúc giữa chất điện ly và điện cực, qua đó kiềm chế sự phát sinh các dendrit không mong muốn. Một trong những cách làm này là kẹp chất điện ly dạng hạt sứ vào giữa hai lớp

poly(etylen glycol) metyl ether acrylat siêu mỏng. Một cách làm khác là nấu chảy natri kim loại thành các viên ở nhiệt độ 380oC trong nửa giờ. Natri nấu chảy sẽ làm tăng tiếp xúc giữa anôt rắn và các viên sứ.

Trong các thử nghiệm, loại ắc quy mới nói trên đã hoạt động trơn tru, đạt công suất 110 mah/g và duy trì 99% công suất đó trong hơn 70 chu kỳ nạp - phóng điện. Tuy kết quả này tốt hơn so với các loại ắc quy ion natri trạng thái rắn khác hiện nay, nhưng ắc quy mới vẫn chưa có thể được ứng dụng trong thực tế. Một trong những trở ngại chính là mật độ năng lượng của nó còn thấp - khoảng 100 Wh/kg so với 180Wh/kg ở ắc quy ion liti, ngoài ra điện áp làm việc của ắc quy mới cũng còn thấp. Nhóm nghiên cứu hiện đang tìm cách phát triển chất điện ly polyme điện áp cao để nâng cao tuổi thọ vận hành và mật độ năng lượng của ắc quy.

Theo một giáo sư hóa học tại Đại học Tổng hợp Waterloo (Mỹ), phát hiện trên là một tiến bộ đáng chú ý trong lĩnh vực ắc quy ion natri trạng thái rắn. Natri có xu hướng tạo thành dendrit nhiều hơn liti và phương án của các nhà khoa học Texas là một bước tiến lớn để giải quyết vấn đề này.

LH

Theo Chemical & Engineering News, 2/2017