Ghi chú của biên tập viên: Công nghệ điện là tương lai của trái đất xanh, và công nghệ pin là nền tảng của công nghệ điện và là chìa khóa để hạn chế sự phát triển quy mô lớn của công nghệ điện. Công nghệ pin chủ đạo hiện nay là pin lithium-ion, có mật độ năng lượng tốt và hiệu suất cao. Tuy nhiên, lithium là một nguyên tố hiếm, có chi phí cao và nguồn tài nguyên hạn chế. Đồng thời, khi việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng tăng, mật độ năng lượng của pin lithium-ion không còn đủ đáp ứng. Vậy phải làm thế nào? Mayank Jain đã tổng kết một số công nghệ pin có thể được sử dụng trong tương lai. Bài viết gốc được đăng trên Medium với tiêu đề: Tương lai của công nghệ pin.
Trái đất chứa đầy năng lượng, và chúng ta đang làm mọi thứ có thể để thu thập và sử dụng năng lượng đó một cách hiệu quả. Mặc dù chúng ta đã làm tốt hơn trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo, nhưng chúng ta vẫn chưa đạt được nhiều tiến bộ trong việc lưu trữ năng lượng.
Hiện nay, công nghệ pin đạt tiêu chuẩn cao nhất là pin lithium-ion. Loại pin này có mật độ năng lượng tốt nhất, hiệu suất cao (khoảng 99%) và tuổi thọ dài.
Vậy vấn đề là gì? Khi lượng năng lượng tái tạo mà chúng ta thu được tiếp tục tăng lên, mật độ năng lượng của pin lithium-ion không còn đủ nữa.
Vì chúng ta vẫn có thể sản xuất pin theo lô, nên điều này dường như không phải là vấn đề lớn, nhưng vấn đề là lithium là một kim loại tương đối hiếm, vì vậy chi phí của nó không hề thấp. Mặc dù chi phí sản xuất pin đang giảm, nhưng nhu cầu lưu trữ năng lượng cũng đang tăng nhanh chóng.
Chúng ta đã đạt đến thời điểm mà một khi pin lithium-ion được sản xuất hoàn chỉnh, nó sẽ có tác động rất lớn đến ngành năng lượng.
Mật độ năng lượng cao hơn của nhiên liệu hóa thạch là một thực tế, và đây là yếu tố ảnh hưởng rất lớn cản trở quá trình chuyển đổi sang hoàn toàn phụ thuộc vào năng lượng tái tạo. Chúng ta cần những viên pin phát ra năng lượng lớn hơn trọng lượng của chúng ta.
Cách thức hoạt động của pin lithium-ion
Cơ chế hoạt động của pin lithium tương tự như pin hóa học thông thường AA hoặc AAA. Chúng có cực dương và cực âm, và chất điện phân ở giữa. Không giống như pin thông thường, phản ứng phóng điện trong pin lithium-ion là thuận nghịch, do đó pin có thể được sạc lại nhiều lần.
Cực âm (+) được làm từ lithi sắt photphat, cực dương (-) được làm từ than chì, và than chì được làm từ cacbon. Điện chỉ đơn giản là sự chuyển động của các electron. Các loại pin này tạo ra điện bằng cách di chuyển các ion lithi giữa cực dương và cực âm.
Khi tích điện, các ion di chuyển đến cực dương, và khi phóng điện, các ion di chuyển đến cực âm.
Sự chuyển động của các ion này gây ra sự chuyển động của các electron trong mạch, do đó sự chuyển động của ion liti và sự chuyển động của electron có mối liên hệ với nhau.
Pin anode silicon
Nhiều hãng xe lớn như BMW đã đầu tư vào việc phát triển pin anode silicon. Giống như pin lithium-ion thông thường, loại pin này sử dụng anode lithium, nhưng thay vì anode gốc carbon, chúng sử dụng silicon.
Với vai trò là điện cực dương, silicon tốt hơn than chì vì than chì cần 4 nguyên tử carbon để giữ lithium, trong khi chỉ cần 1 nguyên tử silicon có thể giữ 4 ion lithium. Đây là một sự nâng cấp đáng kể… giúp silicon mạnh hơn than chì gấp 3 lần.
Tuy nhiên, việc sử dụng lithium vẫn là con dao hai lưỡi. Vật liệu này vẫn còn đắt tiền, nhưng việc chuyển đổi cơ sở sản xuất sang pin silicon lại dễ dàng hơn. Nếu pin hoàn toàn khác biệt, nhà máy sẽ phải được thiết kế lại hoàn toàn, điều này sẽ làm giảm phần nào sức hấp dẫn của việc chuyển đổi.
Các điện cực anot silicon được tạo ra bằng cách xử lý cát để sản xuất silicon tinh khiết, nhưng vấn đề lớn nhất mà các nhà nghiên cứu hiện đang gặp phải là các điện cực anot silicon bị phồng lên khi sử dụng. Điều này có thể khiến pin bị xuống cấp quá nhanh. Việc sản xuất anot hàng loạt cũng rất khó khăn.
Pin graphene
Graphene là một loại mảnh carbon sử dụng cùng loại vật liệu với bút chì, nhưng việc gắn than chì vào các mảnh này tốn rất nhiều thời gian. Graphene được đánh giá cao nhờ hiệu suất tuyệt vời trong nhiều ứng dụng, và pin là một trong số đó.
Một số công ty đang nghiên cứu pin graphene có thể sạc đầy trong vài phút và xả nhanh hơn 33 lần so với pin lithium-ion. Điều này có giá trị rất lớn đối với xe điện.
Pin xốp
Hiện nay, các loại pin truyền thống có cấu tạo hai chiều. Chúng hoặc được xếp chồng lên nhau như pin lithium hoặc được cuộn lại như pin AA hoặc pin lithium-ion thông thường.
Pin dạng bọt là một khái niệm mới liên quan đến sự chuyển động của điện tích trong không gian 3D.
Cấu trúc 3 chiều này có thể rút ngắn thời gian sạc và tăng mật độ năng lượng, đây là những đặc tính cực kỳ quan trọng của pin. So với hầu hết các loại pin khác, pin xốp không có chất điện phân lỏng gây hại.
Pin xốp sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng. Chất điện phân này không chỉ dẫn truyền các ion liti mà còn cách điện cho các thiết bị điện tử khác.
Cực dương, nơi tích điện âm của pin, được làm bằng đồng xốp và được phủ một lớp vật liệu hoạt tính cần thiết.
Sau đó, một chất điện phân rắn được phủ xung quanh cực dương.
Cuối cùng, một loại "chất dán tích cực" được sử dụng để lấp đầy các khoảng trống bên trong pin.
Pin oxit nhôm
Những viên pin này có mật độ năng lượng cao nhất trong số các loại pin. Năng lượng của chúng mạnh mẽ hơn và nhẹ hơn so với các loại pin lithium-ion hiện nay. Một số người cho rằng những viên pin này có thể cung cấp năng lượng cho xe điện đi được 2.000 km. Khái niệm này dựa trên đâu phải không? Để so sánh, phạm vi hoạt động tối đa của Tesla chỉ khoảng 600 km.
Vấn đề với những loại pin này là chúng không thể sạc được. Chúng tạo ra nhôm hydroxit và giải phóng năng lượng thông qua phản ứng giữa nhôm và oxy trong chất điện phân gốc nước. Việc sử dụng pin tiêu thụ nhôm làm cực dương.
Pin natri
Hiện nay, các nhà khoa học Nhật Bản đang nghiên cứu chế tạo pin sử dụng natri thay vì lithi.
Điều này sẽ gây ra sự gián đoạn, vì về mặt lý thuyết, pin natri hiệu quả hơn pin lithium gấp 7 lần. Một lợi thế lớn khác là natri là nguyên tố phong phú thứ sáu trong trữ lượng của trái đất, so với lithium, một nguyên tố hiếm.
Thời gian đăng bài: 02/12/2019