Giới khoa học tìm kiếm loạt giải pháp thay thế pin lithium

Thế giới đang chạy đua tìm kiếm các giải pháp thay thế pin lithium-ion, đón trước viễn cảnh nhu cầu pin loại này sẽ tăng gấp 60 lần chỉ trong vòng 2 thập kỷ.

Một nhân viên của Volkswagen tiến hành thử nghiệm pin tại cơ sở sản xuất pin ô tô điện, vào ngày 18/5/2022 tại Salzgitter, Đức. Ảnh: Getty Images

Việc sử dụng các nguyên tố như lithium, coban và niken để sản xuất pin đã cho thấy sự phụ thuộc của thế giới vào các vật liệu độc hại khan hiếm và đắt đỏ. Trong khi đó, việc khai thác và xử lý chúng cũng gây ra nhiều vấn đề về môi trường. Cần hai triệu lít nước để chiết xuất 1.000 kg lithium.

Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu đang khẩn trương tìm kiếm các vật liệu thay thế có nguồn cung dồi dào, có thể tái tạo, phân hủy sinh học, an toàn, chi phí thấp và ít tác động đến môi trường. Theo dự báo của Liên minh Châu Âu, giải pháp có thể đã gần kề, với natri và canxi – hai nguyên tố dồi dào đang được nghiên cứu để chuẩn bị cho viễn cảnh nhu cầu lithium sẽ tăng gấp 60 lần trong hai thập kỷ.

Hiện nay, có hai thách thức lớn mà xã hội đối mặt đó là: điện khí hóa phương tiện di chuyển và lưu trữ năng lượng tái tạo để cung cấp điện liên tục.

John Abou-Rjeily, nhà nghiên cứu tại Tiamat Energy, thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS), nơi phát triển và sản xuất nguyên liệu natri, cho biết: “Không có đủ pin ion lithium, coban và niken để đáp ứng nhu cầu của mọi người”.

Vị tiến sĩ vật lý và hóa học vật liệu này đang nghiên cứu khả năng của natri – một trong những nguyên tố hóa học phổ biến nhất trong lớp vỏ Trái đất, cũng là nguyên liệu an toàn hơn và rẻ hơn so với lithium.

Tuy nhiên, vật liệu từ natri đòi hỏi nhiều không gian hơn, đó là lý do tại sao pin từ natri chưa phù hợp với các thiết bị rất nhỏ. Chúng cũng không thể cạnh tranh với hệ thống lưu trữ nhiên liệu hiện tại mang lại cho ô tô điện, nhưng có thể đóng vai trò thay thế trên các tuyến đường ngắn. Ông Abou-Rjeily giải thích: “Mặc dù tôi chưa bao giờ thách thức phạm vi hoạt động 500 km của pin lithium-ion, nhưng loại pin natri-ion này có thể cạnh tranh hơn đối với xe điện chạy quãng đường ngắn và trung bình”.

Các nhà khoa học cho rằng, một sự thay đổi nhận thức sẽ thúc đẩy hơn nữa việc ứng dụng natri như một giải pháp thay thế, vì nó sẽ cho phép công nghệ này được triển khai ngay tại nhà và nơi làm việc dưới dạng hệ thống lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo. Đây là mục tiêu được theo đuổi bởi Magdalena Graczyk-Zajac, giáo sư thỉnh giảng tại Đại học Kỹ thuật Darmstadt ở Đức, đồng thời là thành viên của dự án SIMBA Châu Âu, một sáng kiến ​​do EU tài trợ nhằm phát triển pin natri-ion cho gia đình và sẽ kết thúc giai đoạn nghiên cứu đầu tiên vào tháng 6.

Nhà nghiên cứu Graczyk-Zajac cam kết tìm cách lưu trữ năng lượng được thu bởi các tấm quang điện tại gia đình trong pin gia dụng ion natri có thể sạc lại. Phương pháp này sẽ cung cấp năng lượng cho các ngôi nhà và sạc xe điện của cư dân với mức giảm chi phí đáng kể. Bà nói: “Bạn có thể được lái ô tô miễn phí [năng lượng] từ 8 – 9 tháng trong năm”.

Hiện tại, một nguyên mẫu đã được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Một phần của pin, cực dương, được làm từ carbon cứng, có thể được sản xuất từ ​​gỗ hoặc chất thải sinh học. Phần còn lại, cực âm, có thể được làm bằng vật liệu gọi là “Prussian white” (PW)- hợp chất hóa học giàu natri, một trong những nguyên tố kim loại phổ biến nhất.

Pin ion-Natri. Ảnh: Energysource

Trung tâm nghiên cứu CIC energiGUNE của Tây Ban Nha đang có bước phát triển riêng trong lĩnh vực này, họ đã tạo ra cực dương kim loại natri có độ dày chỉ 7 micron (mỏng hơn 70 lần so với cực dương hiện tại) nhờ ứng dụng quá trình bay hơi vật lý. Theo CIC energiGUNE, bước tiến này mở ra cơ hội sản xuất pin thể rắn linh hoạt với cực dương natri mỏng, một giải pháp thay thế an toàn hơn, rẻ hơn và nhỏ gọn hơn cho các loại pin hiện tại có chất điện phân lỏng sử dụng than chì.

Montse Galcerán, nhà nghiên cứu chính của dự án trên, giải thích: “Natri không thể dễ dàng dát mỏng do kết cấu dính của nó, tương tự như nhựa dẻo. Cho đến nay, phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để cuộn một khối natri cũng cơ bản như xử lý nó bằng búa, nhưng điều này có nghĩa là không thể thu được một tấm mỏng và đồng nhất, và do đó, có một lượng lớn natri chưa được sử dụng trong pin. Nhưng nhờ phương pháp bốc hơi, chúng tôi đã vượt qua được trở ngại đó”.

Việc làm mỏng cực dương này cho phép các nhà nghiên cứu giảm lượng natri cần thiết cũng như giảm chi phí, trọng lượng và kích thước của pin, đồng thời tăng mật độ năng lượng (dung lượng lưu trữ lớn hơn) và độ an toàn.

Một nguyên tố khác được sử dụng thay thế lithium là canxi. “Nó là một trong những nguyên tố có nhiều nhất trong lớp vỏ Trái đất và nó không tập trung ở những khu vực địa lý cụ thể như lithium”, bà Rosa Palacín, từ Viện Khoa học Vật liệu Barcelona (ICMAB-CSIC) và là thành viên của dự án CARBAT, cho biết và nói thêm rằng nếu nguyên liệu thô rẻ thì pin cũng có thể rẻ.

Sử dụng canxi làm điện cực âm mang lại lợi thế hơn so với than chì trong pin lithium-ion vì nó có khả năng tích lũy mật độ năng lượng trên mỗi kg lớn hơn so với pin lithium thông thường. Loại pin này cũng tạo thành các cấu trúc cứng nhỏ gọi là đuôi gai và có thể gây đoản mạch hoặc phát nổ sau nhiều lần sử dụng.

“Khi canxi đi qua chất điện phân, hai electron sẽ chảy ra ngoài, thay vì một như trong trường hợp của lithium. Có thể giả định rằng pin có cùng kích thước sẽ mang lại khả năng tự chủ cao hơn nếu được sử dụng trong xe điện, miễn là tìm được điện cực dương phù hợp”, bà Palacín giải thích.

Các nhà nghiên cứu khác từ Đại học Kỹ thuật Đan Mạch còn đang tìm kiếm một loại pin được làm từ cực dương nhôm và cực âm lưu huỳnh. Nhôm thậm chí còn dồi dào hơn canxi nhưng việc kết hợp nó vào pin cũng gây ra những khó khăn tương tự.

“Tất cả các vật liệu được sử dụng đều rẻ. Nhôm, lưu huỳnh, chất điện phân và urê rất rẻ. Ngay cả polyme cũng vậy”, nhà nghiên cứu Juan Lastra, người bảo vệ việc sử dụng phương pháp này để phục vụ lưu trữ năng lượng từ công viên gió hoặc mặt trời, cho biết.