Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp và nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu oxit (Na, Li)MnO₂ pha tạp và đồng pha tạp Co, F ứng dụng làm điện cực dương trong pin ion natri

Ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng đang đối mặt với những thách thức lớn khi các thiết bị di động, xe điện và hệ thống năng lượng tái tạo đòi hỏi hiệu suất và độ bền cao hơn. Pin lithium ion (LIB), dù phổ biến, đang đối diện với giới hạn về tài nguyên lithium. Trong bối cảnh đó, pin ion natri (SIB) nổi lên như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn nhờ nguyên lý hoạt động tương tự và nguồn natri dồi dào. Tuy nhiên, hiệu suất chu kỳ và dung lượng của các vật liệu điện cực dương cho SIB vẫn còn hạn chế. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu oxit (Na,Li)MnO2 pha tạp Co và F, nhằm cải thiện hiệu suất của điện cực dương, đóng góp vào sự phát triển bền vững của công nghệ SIB.

Các nhà khoa học, nghiên cứu sinh và học viên cao học trong lĩnh vực vật liệu điện hóa, công nghệ pin và lưu trữ năng lượng, đặc biệt quan tâm đến pin ion natri.

Luận án này trình bày nghiên cứu chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng các vật liệu oxit (Na,Li)MnO2 pha tạp Co và đồng pha tạp Co, F, ứng dụng làm điện cực dương trong pin ion natri (SIB) thế hệ mới. Mục tiêu chính là vượt qua những hạn chế của vật liệu điện cực dương truyền thống trong SIB, vốn đang gặp phải vấn đề về hiệu suất chu kỳ và dung lượng. Các vật liệu này được chế tạo thành công với cấu trúc lục giác P63mmc và kích thước hạt dưới 5µm, sử dụng cả phương pháp phản ứng pha rắn và phương pháp sol-gel. Nghiên cứu đã làm rõ ảnh hưởng của các nguyên tố pha tạp lên cấu trúc và tính chất điện hóa, cho thấy sự thay đổi hằng số mạng a và c cải thiện đáng kể độ ổn định cấu trúc và khoảng cách giữa các lớp, từ đó thúc đẩy khả năng khuếch tán ion Na⁺ và tăng dung lượng riêng. Đặc biệt, pha tạp Co không chỉ tăng tính dẫn điện mà còn trực tiếp tham gia vào quá trình phản ứng điện hóa, nâng cao dung lượng và động học. Trong khi đó, F- thay thế O2- làm tăng số lượng tâm hoạt động điện hóa, góp phần cải thiện dung lượng. Các kết quả thực nghiệm chứng minh hiệu suất điện hóa vượt trội, ví dụ, vật liệu Na0.8Li0.1Mn0.8Co0.1F0.1O2 đạt dung lượng riêng 135 mAh g⁻¹ với hiệu suất chu kỳ cao 94% sau 100 chu kỳ. Những đóng góp này không chỉ mở rộng cơ sở khoa học về vật liệu điện cực dương cho SIB mà còn cung cấp định hướng quan trọng cho việc phát triển pin ion natri hiệu suất cao, sử dụng nguồn nguyên liệu dồi dào, chi phí thấp và thân thiện với môi trường, giảm phụ thuộc vào pin lithium ion và kim loại hiếm.