Pin sodium-ion - giải pháp thay thế tiềm năng nhưng còn nhiều hạn chế
Pin sodium-ion (pin natri) từ lâu đã được kỳ vọng trở thành phương án thay thế cho pin lithium-ion nhờ một lợi thế lớn: natri là nguyên liệu có trữ lượng dồi dào, phân bố rộng khắp và giá thành rẻ hơn đáng kể so với lithium. Điều này khiến chúng trở nên đặc biệt hấp dẫn cho các hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo từ điện mặt trời hay điện gió, nơi chi phí luôn là yếu tố then chốt.
Tuy nhiên, pin sodium-ion vẫn tồn tại những điểm yếu cố hữu. So với pin lithium-ion, chúng có mật độ năng lượng thấp hơn và bị suy giảm hiệu suất nhanh hơn, đặc biệt khi hoạt động ở điện áp cao. Đây chính là rào cản lớn nhất khiến công nghệ này chưa thể triển khai rộng rãi.
Thêm lithium và titanium - thay đổi nhỏ, hiệu quả lớn
Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu tại UC San Diego đã thử nghiệm một hướng tiếp cận: bổ sung một lượng nhỏ lithium và titanium vào vật liệu cathode gốc của pin sodium-ion.
Giáo sư Shirley Meng của UC San Diego cho biết, những thay đổi tưởng chừng nhỏ này lại mang đến kết quả đáng kể. Vật liệu sau khi chỉnh sửa có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn và duy trì được sự ổn định ngay cả khi pin hoạt động ở điện áp cao - vốn là điều kiện khiến các vật liệu sodium thông thường nhanh chóng xuống cấp. Trong các thử nghiệm tại phòng lab, cathode cải tiến giữ được phần lớn dung lượng sau nhiều chu kỳ sạc-xả, kể cả ở chế độ hoạt động khắc nghiệt.
Câu hỏi đặt ra là: tại sao chỉ một thay đổi nhỏ về thành phần hóa học lại có thể tạo ra sự khác biệt lớn đến vậy về hiệu năng?
Siêu máy tính và AI rút ngắn quá trình nghiên cứu
Để tìm lời giải, nhóm nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính Expanse tại Trung tâm Siêu máy tính San Diego (SDSC). Thông qua chương trình ACCESS của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF), họ tiến hành các mô phỏng quy mô lớn để theo dõi quá trình di chuyển của ion natri bên trong cấu trúc tinh thể của vật liệu trong suốt chu kỳ sạc và xả.
Các mô phỏng này được hỗ trợ bởi mô hình AI gọi là "foundation potentials" - cho phép thực hiện các phép tính ở cấp độ nguyên tử nhanh hơn và tiết kiệm hơn so với phương pháp tính toán truyền thống. Kết quả cho thấy, lithium và titanium giúp các ion natri di chuyển tự do hơn bên trong vật liệu, đồng thời ngăn cấu trúc tinh thể bị sụp đổ sau nhiều lần sử dụng.
Giáo sư Shyue Ping Ong, đồng nghiên cứu trong dự án, chia sẻ rằng việc sàng lọc các thiết kế tiềm năng trên Expanse trước khi đưa vào phòng thí nghiệm đã giúp nhóm tiết kiệm rất nhiều thời gian so với phương pháp thử-sai truyền thống. Theo ông, kết quả nghiên cứu mở ra một hướng đi thực tế để cải thiện pin sodium-ion, giúp việc xây dựng các trạm lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lớn trở nên khả thi hơn.
Nghiên cứu này cũng cho thấy vai trò ngày càng quan trọng của siêu máy tính trong lĩnh vực phát triển pin. Thay vì chỉ dựa vào thử nghiệm thực tế, các nhà khoa học giờ đây có thể mô phỏng hàng nghìn tổ hợp vật liệu khác nhau trước khi chế tạo mẫu thử. Điều này hứa hẹn rút ngắn đáng kể thời gian phát triển các thế hệ pin tiếp theo, phục vụ cho hệ thống dự phòng lưới điện, lưu trữ năng lượng tái tạo và cả xe điện trong tương lai.
Phạm Hoàng
