Trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng và phương tiện điện, pin natri-ion (sodium-ion) đang ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm. Hiện nay, các phương tiện điện sử dụng bộ pin natri-ion vẫn chưa được thương mại hóa, do đó nghiên cứu của chúng tôi đề xuất một hướng tiếp cận tiềm năng nhằm tiến tới thương mại hóa, với mục tiêu trở thành thế hệ pin tiếp theo thay thế pin lithium-ion.

Việc phát triển các vật liệu cho pin natri-ion (điện cực, chất điện phân và màng ngăn) và đánh giá tác động của chúng tới hiệu suất điện hóa của pin đã và đang là trọng tâm của nhiều nghiên cứu gần đây. Do hóa học của pin natri-ion có nhiều điểm tương đồng với pin lithium-ion, quá trình phát triển công nghệ này đã đạt được những tiến bộ tương đối nhanh.

Trong dự án này, chúng tôi tập trung tổng hợp các vật liệu mới có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn và độ ổn định hóa học cao để làm vật liệu catot và anot. Cụ thể, dự án hướng tới việc tổng hợp các vật liệu oxit dạng lớp mới dưới dạng composite với cấu trúc 2D và 3D làm catot, trong khi các vật liệu composite carbon được sử dụng làm anot. Mục tiêu là phát triển pin natri-ion có mật độ năng lượng cao dựa trên các vật liệu chi phí thấp và bền vững, phục vụ lưu trữ năng lượng quy mô lớn, vượt ra ngoài công nghệ pin lithium-ion, thông qua các kỹ thuật tối ưu hóa bằng học máy và mô phỏng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT).

Các mục tiêu cụ thể bao gồm:

• Phát triển các vật liệu chi phí thấp và bền vững (catot và anot sử dụng hàm lượng Ni, Co thấp, nguồn nguyên liệu thân thiện với môi trường) cho pin natri-ion.
• Trình diễn các nguyên mẫu pin natri-ion dạng cell hoàn chỉnh có mật độ năng lượng và tuổi thọ chu kỳ tương đương với pin lithium-ion sử dụng hệ graphite/LiFePO₄, hướng tới ứng dụng quy mô lớn.
• Xây dựng cách tiếp cận dựa trên dữ liệu để nghiên cứu các đặc tính vật liệu, lựa chọn vật liệu phù hợp cho từng thành phần, đồng thời tối ưu hóa quá trình tổng hợp và lắp ráp pin.
• Làm rõ cơ chế di chuyển của ion Na⁺/electron/polaron trong vật liệu catot.

Đề xuất nghiên cứu này được triển khai thông qua các giai đoạn (Work Packages – WP) sau:

WP1: Cách tiếp cận dựa trên dữ liệu cho phát triển vật liệu và cell pin (9 tháng)

• Tháng 1–3: Ứng dụng học máy và các kỹ thuật tính toán để thúc đẩy phát triển vật liệu chi phí thấp, bền vững cho pin natri-ion.
• Tháng 4–6: Xác định các mối tương quan then chốt giữa đặc tính vật liệu và hiệu suất pin bằng các thuật toán học máy, phân tích thống kê và mô hình hóa dữ liệu.
• Tháng 7–9: Phân tích dữ liệu toàn diện nhằm nhận diện xu hướng, điểm bất thường và các yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất vật liệu, hỗ trợ ra quyết định trong thiết kế vật liệu và chế tạo pin.

WP2: Thiết kế quy trình tổng hợp xanh (ít chất thải, có khả năng tái chế hoặc sử dụng vật liệu tái chế) để phát triển vật liệu chi phí thấp và bền vững (9 tháng)

• Tháng 10–12: Lựa chọn tiền chất từ nguồn sinh học (dựa trên sinh khối) và các nguyên tố dồi dào (Na, Mn, Fe, Al, Cu, Zn).
• Tháng 13–18: Phát triển quy trình tổng hợp: kết tủa và phản ứng pha rắn (sử dụng dung môi độc tính thấp, giảm phát thải khí và tái chế vật liệu).
• Tháng 19–21: Ứng dụng học máy để tối ưu hóa việc lựa chọn tiền chất và quy trình tổng hợp.

WP3: Ứng dụng Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để nghiên cứu các đặc tính cơ bản của vật liệu (6 tháng)

• Tháng 22–24: Khảo sát cấu trúc hình học của sự sắp xếp ion Na⁺, độ dẫn điện tử và cơ chế khuếch tán ion Na⁺ bằng phương pháp DFT.
• Tháng 25–27: Xác định độ ổn định oxy hóa/khử của chất điện phân thông qua các giá trị HOMO/LUMO nhằm hiểu rõ hóa học bề mặt tiếp xúc và cơ chế suy giảm pin.

WP4: Thiết kế và lắp ráp cell pin hoàn chỉnh nhằm đạt pin natri-ion mật độ năng lượng cao (150–170 Wh/kg), tuổi thọ 300 chu kỳ ở C/3, cạnh tranh với pin lithium-ion (LFP) (12 tháng)

• Tháng 28–30: Tối ưu hóa mức năng lượng của cell bằng cách xem xét các yếu tố như tải lượng điện cực, mật độ điện cực, tỷ lệ N/P, tỷ lệ E/C, xếp chồng điện cực, v.v.
• Tháng 31–33: Thử nghiệm các điều kiện vận hành: tạo hình ban đầu (formation), thử nghiệm chu kỳ sạc–xả, độ sâu phóng điện, trạng thái sạc, v.v.
• Tháng 34–36: Ứng dụng học máy để tối ưu hóa quy trình phủ điện cực và điều kiện lắp ráp cell, nhằm đạt dung lượng riêng cao nhất và tuổi thọ chu kỳ dài cho pin.