Lignin vốn đóng vai trò như “chất keo” liên kết các sợi gỗ trong cây, tạo nên độ cứng chắc của thân gỗ. Trong ngành công nghiệp giấy, lignin thường bị xem là phụ phẩm ít giá trị và chủ yếu bị đốt để tạo năng lượng. Các nhà khoa học tại Fraunhofer IKTS đã nhìn thấy tiềm năng chuyển hóa vật liệu này thành carbon cứng (hard carbon) bằng cách nung ở nhiệt độ rất cao, sau đó sử dụng làm cực âm (anode) cho pin natri-ion.

Nguồn lignin dùng trong nghiên cứu được thu hoạch từ rừng Thuringian ở miền trung nước Đức, gần trung tâm nghiên cứu, cho thấy định hướng phát triển vật liệu pin dựa trên tài nguyên bản địa. So với lithium, cobalt hay nickel – những kim loại đắt đỏ, phải khai thác mỏ và phụ thuộc chuỗi cung ứng phức tạp – lignin có lợi thế rõ rệt về chi phí, tính sẵn có và tác động môi trường.

Ngoài cực âm từ carbon cứng có nguồn gốc lignin, cực dương của pin sử dụng vật liệu nền sắt không độc hại như các biến thể của Prussian Blue. Loại vật liệu này có cấu trúc tinh thể phù hợp để lưu trữ ion natri, lại thân thiện với môi trường và phổ biến rộng rãi. Nhờ đó, toàn bộ hệ pin hướng tới cấu trúc ít kim loại quan trọng và giảm hàm lượng flo trong điện cực cũng như chất điện phân.

Kết quả thử nghiệm cho thấy carbon cứng từ lignin có khả năng lưu trữ ion natri hiệu quả và độ ổn định chu kỳ tốt. Sau 100 chu kỳ sạc-xả, pin thử nghiệm không ghi nhận suy giảm đáng kể. Mục tiêu của nhóm là đạt 200 chu kỳ với cell hoàn chỉnh dung lượng 1 Ah trước khi kết thúc dự án. So với pin lithium-ion, pin natri-ion dựa trên lignin được đánh giá an toàn hơn và dễ tái chế hơn, đồng thời giảm phát thải carbon do không còn đốt lignin như chất thải công nghiệp.

Dù vẫn đang trong giai đoạn phát triển, công nghệ pin natri-ion “trái tim gỗ” này có tiềm năng ứng dụng trong các hệ lưu trữ tĩnh hoặc phương tiện công suất thấp như xe điện cỡ nhỏ tốc độ giới hạn 45 km/h và xe nâng kho bãi, nơi yêu cầu sạc siêu nhanh không phải yếu tố quyết định. Sự hợp tác giữa Fraunhofer IKTS và chuỗi cung ứng nguyên liệu địa phương cho thấy hướng đi mới trong việc kết hợp kinh tế sinh học với công nghệ lưu trữ năng lượng bền vững.