Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thu Hòa trình bày kết quả nghiên cứu trước Hội đồng đánh giá luận án tại Học viện Khoa học và Công nghệ, tháng 4/2026. Ảnh: Viện Khoa học vật liệu.

Một mẫu vật liệu điện cực do Nguyễn Thị Thu Hòa và các cộng sự nghiên cứu đạt dung lượng riêng 135,51 mAh/g và giữ lại 92,69% dung lượng sau 100 chu kỳ. Kết quả cho thấy một cách xử lý đồng thời dung lượng và độ ổn định của vật liệu điện cực dương.

Kết quả được công bố trên Journal of Electroanalytical Chemistry năm 2024. Trong bài báo gồm chín tác giả, Nguyễn Thị Thu Hòa đứng tên đầu và được xác định tham gia phương pháp nghiên cứu, thực nghiệm, phân tích dữ liệu, trực quan hóa, viết bản thảo ban đầu.

Tháng 4/2026, Nguyễn Thị Thu Hòa bảo vệ luận án ngành Vật liệu điện tử tại Học viện Khoa học và Công nghệ. Công trình do Viện Khoa học vật liệu quản lý, dưới sự hướng dẫn của GS.TS Vũ Đình Lãm và PGS.TS Nguyễn Văn Nghĩa. Hội đồng bỏ 7/7 phiếu tán thành, đề nghị công nhận học vị tiến sĩ. Chưa có quyết định công nhận công khai nên bài viết vẫn dùng danh xưng “nghiên cứu sinh”.

Nút thắt ở điện cực dương

Pin natri-ion hoạt động gần giống pin lithium-ion: các ion dịch chuyển giữa hai điện cực khi nạp và xả. Natri có nguồn cung dồi dào hơn lithium; hệ pin này còn có thể dùng nhôm làm bộ thu dòng điện ở cực âm thay cho đồng. Lợi thế ấy phù hợp với bài toán lưu trữ năng lượng cần kiểm soát chi phí nguyên liệu.

Ion natri có khối lượng và bán kính lớn hơn ion lithium. Khi chèn vào rồi thoát khỏi điện cực, chúng dễ làm cấu trúc biến đổi, khiến dung lượng suy giảm. Điện cực dương vì thế phải chứa được nhiều ion, cho phép ion di chuyển đủ nhanh và vẫn ổn định — ba yêu cầu thường kéo theo sự đánh đổi.

Các hướng điều chỉnh cấu trúc vật liệu trong pin từng cho thấy thay đổi rất nhỏ ở cấp tinh thể có thể tác động mạnh tới tốc độ sạc và tuổi thọ thiết bị.

Nguyễn Thị Thu Hòa chọn hệ oxit phân lớp (Na,Li)MnO₂ làm nền. Cấu trúc lớp tạo đường cho ion natri di chuyển, nhưng vật liệu dễ mất ổn định, giảm dung lượng và bị phân cực khi dòng điện tăng. Nghiên cứu đưa thêm coban và flo vào mạng tinh thể để điều chỉnh cấu trúc cùng phản ứng điện hóa.

Nguyễn Thị Thu Hòa tại buổi bảo vệ luận án về vật liệu điện cực dương cho pin natri-ion. Ảnh: Viện Khoa học vật liệu.

Hai nguyên tố, hai tác động khác nhau

Nhóm nghiên cứu chế tạo vật liệu bằng hai phương pháp: phản ứng pha rắn và sol-gel. Với mẫu pha coban bằng phản ứng pha rắn, hai thông số mạng tinh thể cùng giảm. Sự co lại giúp khung vật liệu ổn định hơn khi ion natri đi vào và đi ra. Mẫu này đạt dung lượng riêng 111,89 mAh/g và giữ 97,9% dung lượng sau 100 chu kỳ ở mật độ dòng điện 11 mA/g.

Khi dùng phương pháp sol-gel để đồng pha coban và flo, khoảng cách giữa các lớp oxit có xu hướng mở rộng. Ion natri vì thế có thêm không gian để khuếch tán. Coban còn tham gia phản ứng oxi hóa - khử và tăng tính dẫn điện; flo làm tăng số tâm kim loại chuyển tiếp có thể tham gia phản ứng điện hóa. Mẫu đồng pha tạp đạt dung lượng riêng 135,51 mAh/g ở 8 mA/g và vẫn vượt 100 mAh/g khi mật độ dòng điện tăng lên 100 mA/g.

Kết quả này cần được đọc như một sự cân bằng, không phải chiến thắng tuyệt đối của một công thức. Mẫu chỉ pha coban giữ dung lượng tốt hơn sau 100 chu kỳ, trong khi mẫu đồng pha coban và flo cho dung lượng ban đầu cùng khả năng làm việc ở dòng cao tốt hơn nhưng tỷ lệ duy trì dung lượng thấp hơn, ở mức 92,69%.

Đọc đúng ba con số

- 135,51 mAh/g là dung lượng riêng tính trên khối lượng vật liệu hoạt tính trong điều kiện thử nghiệm, không phải dung lượng của một bộ pin thương mại.

- 92,69% là phần dung lượng còn lại sau 100 chu kỳ của mẫu đồng pha coban và flo.

- 100 chu kỳ mới đủ để so sánh trong phạm vi nghiên cứu; chưa thể đại diện cho vòng đời cần có của pin dùng trên xe điện hay hệ thống lưu trữ quy mô lớn.

Những nghiên cứu về pin ion kim loại đa hóa trị và pin lithium–lưu huỳnh cũng đang đi theo nhiều cách khác nhau để giảm phụ thuộc vào một hóa học pin duy nhất. Điểm chung là kết quả ở cấp vật liệu phải tiếp tục vượt qua thử nghiệm cell hoàn chỉnh, độ an toàn, quy mô sản xuất và chi phí vòng đời.

Từ pin cúc áo đến bài toán sản xuất

Các phép thử được thực hiện trên pin cúc áo CR2032 trong phòng thí nghiệm. Mô hình này phù hợp để sàng lọc vật liệu, nhưng còn cách xa bộ pin hoàn chỉnh. Khi tăng kích thước điện cực, ghép nhiều cell và thay đổi nhiệt độ vận hành, các vấn đề về độ đồng đều, chất điện phân, quản lý nhiệt và an toàn sẽ xuất hiện.

Luận án chưa khép lại câu hỏi về tỷ lệ pha tạp tối ưu. Tác giả đề xuất tiếp tục điều chỉnh tỷ lệ lithium, coban và flo; dùng XPS hoặc TEM tại chỗ để theo dõi sự đổi cấu trúc, hóa trị ngay trong quá trình sạc xả.

Nguyễn Thị Thu Hòa (áo dài hồng, chính giữa) cùng Hội đồng và tập thể hướng dẫn sau buổi bảo vệ luận án. Ảnh: Viện Khoa học vật liệu.

Hai bài báo quốc tế liên quan trực tiếp đến luận án đều ghi Nguyễn Thị Thu Hòa là tác giả đầu. Ở công bố năm 2023, bà đảm nhiệm từ xây dựng ý tưởng, phương pháp, thực nghiệm, phân tích đến viết bản thảo; ở công bố năm 2024, vai trò tiếp tục tập trung vào phương pháp, thực nghiệm, dữ liệu và bản thảo ban đầu. Các nhà khoa học khác phụ trách hướng dẫn, nguồn lực, rà soát học thuật và những phần việc chuyên môn tương ứng.

Giá trị hiện tại của nghiên cứu không nằm ở lời hứa sớm “thay thế pin lithium”. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy thành phần pha tạp có thể dịch chuyển sự cân bằng giữa dung lượng, tốc độ nạp xả và độ bền chu kỳ. Muốn tiến tới ứng dụng, vật liệu phải được kiểm chứng qua nhiều chu kỳ hơn, ở cell lớn hơn và trong quy trình chế tạo có thể lặp lại với chi phí chấp nhận được.