Về cơ bản, cấu tạo của pin Natri-ion cũng tuân theo nguyên lý chung của pin sạc (secondary battery), gồm 4 thành phần chính: Cực dương (Anode), cực âm (Cathode), chất điện phân (Electrolyte) và màng ngăn (Separator).
.png)
Dưới đây là chi tiết từng thành phần:
Đây là nơi lưu trữ và giải phóng các ion Natri (Na⁺) trong quá trình sạc và xả. Vật liệu làm cực dương cho pin Na-ion rất đa dạng, phổ biến nhất là:
Vật liệu carbon: Đây là lựa chọn hàng đầu vì chi phí thấp và phong phú.
Carbon cứng (Hard Carbon): Là ứng viên sáng giá nhất. Cấu trúc vô định hình của nó có nhiều khoảng trống giữa các lớp carbon, rất lý tưởng để chứa các ion Na⁺ có kích thước lớn (lớn hơn ~55% so với Li⁺).
Graphite: Là tiêu chuẩn trong pin Li-ion, nhưng khó có thể dùng trực tiếp cho pin Na-ion vì khoảng cách giữa các lớp graphit quá hẹp để ion Na⁺ có thể xen vào ổn định. Cần phải xử lý biến tính hoặc dùng dung môi đặc biệt.
Hợp kim: Các vật liệu như Thiếc (Sn), Photpho (P), Antimon (Sb) có thể tạo hợp kim với Natri, cho dung lượng rất cao. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là giãn nở thể tích rất lớn (lên đến 420% với Na₃P) trong quá trình nạp/xả, dễ làm hỏng cấu trúc điện cực.
Oxit kim loại: Một số oxit như TiO₂ (Titanium dioxide) cũng được nghiên cứu làm anode do độ ổn định và khả năng chịu dòng điện tốt.
Đây là nơi ion Na⁺ di chuyển đến và được lưu trữ khi pin xả. Các vật liệu cathode phổ biến được chia làm ba nhóm chính:
Vật liệu lớp (Layered Oxides): Tương tự như cathode trong pin Li-ion (ví dụ: NMC).
Công thức: NaₓTMO₂ (với TM là kim loại chuyển tiếp như Mn, Fe, Ni, Co, Cu...).
Ưu điểm: Công suất cao, phương pháp chế tạo tương tự pin Li-ion nên dễ sản xuất.
Ví dụ: NaMnO₂, NaNiO₂, NaFeO₂ hoặc các oxide hỗn hợp như NaNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂.
Vật liệu Prussian White (PW) và các hợp chất tương tự (PBAs): Đây là một trong những ứng viên rất được kỳ vọng.
Công thức: NaₓM₁[M₂(CN)₆] (với M₁ và M₂ là các kim loại như Fe, Mn, Ni, Cu...).
Ưu điểm: Cấu trúc khung hở rất phù hợp cho ion Na⁺ lớn di chuyển nhanh, cho công suất cao, tuổi thọ dài và chi phí nguyên liệu thấp.
Nhược điểm: Thường có mật độ năng lượng thể tích thấp hơn so với vật liệu lớp.
Vật liệu polyanion (Polyanionic Compounds):
Công thức: NaₓMₓ(PO₄)ₓFₓ (với M là kim loại chuyển tiếp như V, Fe...).
Ưu điểm: Cấu trúc bền vững, điện thế hoạt động cao và tuổi thọ rất dài.
Ví dụ nổi tiếng: Na₃V₂(PO₄)₃ (NVP), NaVPO₄F.
Nhược điểm: Chi phí vanadium (V) cao và độ dẫn điện kém nên thường phải phủ carbon.
Là môi trường dẫn cho ion Na⁺ di chuyển giữa anode và cathode. Nó thường là muối Natri hòa tan trong dung môi hữu cơ.
Muối Natri: Phổ biến nhất là NaPF₆ (Natri hexafluorophosphate). Các muối khác như NaClO₄, NaTFSI cũng được dùng.
Dung môi: Thường là các dung môi hữu cơ như EC (Ethylene Carbonate), PC (Propylene Carbonate), DMC (Dimethyl Carbonate)... được pha trộn theo tỷ lệ nhất định. PC đặc biệt quan trọng vì nó tương thích tốt với anode carbon.
Chất điện phân rắn: Đang là hướng nghiên cứu để tạo ra pin an toàn hơn, không chảy, không cháy nổ.
Là một lớp màng polymer xốp, mỏng (thường làm từ polyolefin như PE, PP) ngăn cách vật lý giữa anode và cathode để tránh chạm vào nhau gây đoản mạch, nhưng vẫn cho phép ion Na⁺ di chuyển qua lại tự do.
Cấu tạo: Các thành phần trên được cuộn chặt (trong vỏ trụ hoặc vuông) hoặc xếp chồng (trong vỏ pouch) lại với nhau.
Nguyên lý hoạt động:
Khi xả (sử dụng): Ion Na⁺ di chuyển từ anode (nơi chúng được lưu trữ) xuyên qua chất điện phân và màng ngăn để đến cathode. Đồng thời, electron di chuyển từ anode sang cathode qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện.
Khi sạc: Quá trình ngược lại xảy ra. Dòng điện từ bộ sạc đẩy electron từ cathode sang anode, đồng thời kéo ion Na⁺ từ cathode quay trở lại và lưu trữ trong anode.
| Đặc Điểm | Pin Natri-ion | Pin Li-ion |
|---|---|---|
| Nguyên liệu | Dồi dào, rẻ (Natri có khắp nơi, có thể dùng đồng, sắt thay cho coban, niken). | Khan hiếm, đắt (Lithi, coban, niken phân bố không đều, khai thác phức tạp). |
| Anode | Chủ yếu là Hard Carbon. | Chủ yếu là Graphite. |
| Cathode | Layered Oxide, Prussian White, Polyanion. | NMC, LFP, NCA, LCO. |
| Mật độ năng lượng | Thấp hơn (~100-160 Wh/kg). | Cao hơn (~150-250 Wh/kg). |
| Hiệu suất/ công suất | Tương đương hoặc tốt hơn trong một số trường hợp. | Rất tốt. |
| Độ an toàn | Cao hơn, chịu nhiệt tốt hơn, ổn định hơn. | Cần hệ thống quản lý pin (BMS) phức tạp. |
| Chi phí | Rẻ hơn đáng kể (ước tính rẻ hơn 20-40%). | Đắt hơn. |
| Ứng dụng | Lưu trữ năng lượng tĩnh (ESS), xe điện tầm thấp và trung bình. | Thiết bị di động, xe điện hiệu năng cao. |
Hy vọng bài giải thích này giúp bạn hiểu rõ về cấu tạo của pin Natri-ion!
