Từ sầu riêng tới kim cương: những vật liệu không tưởng có thể thay thế công nghệ pin li-ion

Các nhà khoa học đang tìm nhiều cách để thay thế pin li-ion, và một ứng viên sáng giá lại làm từ loại quả nặng mùi nhất trên Trái Đất: sầu riêng.

Những viên pin li-ion trong các thiết bị điện tử của chúng ta đã và đang xuống cấp theo thời gian, gây nên tổn hại rất lớn tới môi trường. Liệu có cách nào để có thể lưu trữ năng lượng mà bớt gây hại với Trái Đất hơn không?

Những cục pin chính là trái tim của mọi thiết bị công nghệ hiện đại chúng ta đang sử dụng – chúng là những “gói năng lượng” mà chúng ta có thể sạc đầy từ ổ cắm để rồi từ từ sử dụng trong suốt cả ngày dài. Pin li-ion đã thay đổi khả năng lưu trữ và mang theo điện năng của chúng ta, và có thể nói là, đã cách mạng hóa những thiết bị chúng ta sử dụng.

Pin Li-ion được thương mại hóa lần đầu vào năm 1991 bởi Sony, khi công ty này tìm kiếm một giải pháp cho thời lượng pin yếu kém trên các máy quay cầm tay của mình. Kể từ đó, những viên pin đã cấp năng lượng cho rất nhiều đồ dùng trong đời sống thường ngày của chúng ta – từ điện thoại, máy tính xách tay cho đến máy hút bụi hay bàn chải đánh răng điện.

Và nhu cầu của chúng ta với pin theo thời gian dường như chỉ có tăng lên chứ không giảm. Những phương tiện giao thông chạy điện với kì vọng thay thế nhiên liệu hóa thạch cũng đang phụ thuộc vào pin li-ion. Trong bối cảnh những nguồn năng lượng tái tạo đang tăng dần tỉ lệ cấp điện trên khắp thế giới, những ngân hàng pin khổng lồ có thể sẽ trở nên cần thiết để lưu trữ lượng điện dư thừa, dành cho những khoảng thời gian khi gió không thổi hay khi không có ánh nắng mặt trời. Trên toàn cầu, hiện người ta ước tính có khoảng hơn 7 tỉ viên pin li-ion được bán mỗi năm và dự tính đến năm 2027, con số này sẽ tăng gấp đôi, khoảng hơn 15 tỉ.

Nhưng, như chúng ta có thể nhận ra ngay từ những chiếc điện thoại của mình: chúng ngày càng trữ được lượng pin ít hơn. Đó chính là một trong những giới hạn của pin li-ion: dung lượng của chúng giảm xuống theo thời gian. Trong thời tiết đặc biệt nóng hay lạnh, khả năng trữ năng lượng của chúng cũng giảm xuống. Ngoài ra, cũng có những lo ngại về độ an toàn của pin li-ion: chúng có nguy cơ cháy nổ trong những điều kiện nhất định, và chi phí việc khai thác những kim loại cần để sản xuất pin cũng rất cao, cả về mặt xã hội lẫn môi trường.

Một lượng lớn pin li-ion bị thải ra môi trường hàng năm

Điều này đã thúc đẩy các nhà khoa học trên khắp thế giới cố gắng phát triển những loại pin mới để có thể vượt qua được vấn đề này. Bằng cách khai thác rất nhiều các nguyên liệu có tiềm năng, từ kim cương cho tới một loại trái cây cực nặng mùi, họ hi vọng sẽ tìm được những cách lưu trữ năng lượng cho tương lai.

Pin li-ion hoạt động bằng cách sử dụng các phân tử liti được nạp di chuyển điện từ đầu này sang đầu kia, thông qua một hỗn hợp lỏng chất điện phân ở giữa. Một trong những điều khiến việc sử dụng pin li-ion trở nên hợp lí là “mật độ năng lượng” của chúng – lượng năng lượng tối đa một cục pin có thể giữ so với kích thước của mình, khiến chúng trở thành loại pin thành công nhất về mặt thương mại từ trước đến nay. Pin li-ion cũng có thể truyền tải dòng điện với điện áp cao hơn những loại pin khác.

Cấu tạo cơ bản của một viên pin bao gồm 3 thành phần chính: một điện cực dương, một điện cực âm và một chất điện phân ở giữa. Vai trò của các điện cực thay đổi giữa cathode (dương cực) và anode (âm cực) phụ thuộc vào việc cục pin đang được sạc hay đang cấp điện. Với pin li-ion, cathode chủ yếu được làm từ một oxit kim loại và một kim loại khác. Khi đang sạc, các ion và electron liti di chuyển từ cathode tới anode, nơi chúng được “lưu trữ” dưới dạng thế điện hóa. Điều này xảy ra nhờ vào một chuỗi các phản ứng hóa học trong chất điện phân, dưới tác động của dòng năng lượng điện từ mạch sạc. Khi một viên pin đang được sử dụng, các ion liti di chuyển theo chiều ngược lại, từ anode tới cathode qua dòng chất điện phân, trong khi đó các electron sẽ chạy qua mạch điện của thiết bị mà cục pin cung cấp năng lượng.

Trong nhiều năm qua, người ta đã thực hiện nhiều cải tiến tới nguyên liệu sản xuất cathode và anode giúp làm tăng cả mật độ năng lượng cũng như dung lượng của pin li-ion, nhưng những cải tiến quan trọng nhất đều nhắm đến việc giảm chi phí sản xuất pin.

Theo như Mauro Pasta, một nhà khoa học về nguyên liệu tại Đại học Oxford và trưởng dự án tại Viện Faraday, thì: “ Các nghiên cứu về hóa chất (sử dụng trong pin – ND) trong vòng 35 năm qua đã tới điểm chững lại“. Pasta đang nghiên cứu thế hệ tiếp theo của pin li-ion, với mục tiêu đặt ra là nâng cao mật độ năng lượng của pin đồng thời tăng hiệu suất, giúp chúng không mất năng lượng qua nhiều lần sạc cũng như giảm thiểu tình trạng chai pin.

Chuyển dịch sang phương tiện giao thông điện cũng làm tăng nhu cầu đối với pin li-ion.

Để làm được điều này, Pasta tập trung vào việc thay thế hỗn hợp lỏng chất điện phân vô cùng dễ cháy có trong pin li-ion hiện đại với một hợp chất rắn làm từ gốm. Sử dụng chất rắn giảm thiểu nguy cơ cháy nổ của chất điện phân ngay cả trong trường hợp đoản mạch hoặc mạch không ổn định, điều đã gây ra “thảm họa” với dòng Galaxy Note 7 của Samsung vào năm 2017. Điều này rất quan trọng với sự an toàn trong tương lai, bởi ngay cả hỗn hợp chất điện phân polymer-gel ở trong hầu hết các thiết bị điện tử cầm tay của chúng ta hiện nay vẫn có thể bắt cháy.

Pin thể rắn kiểu này cũng tạo khả năng sử dụng kim loại liti đặc thay vì than chì ở anode, làm cải thiện đáng kể lượng điện năng mà pin có thể lưu trữ. Điều này có thể tác động lớn đến tương lai của các phương tiện điện. Hiện tại, một chiếc oto điện chứa số pin khoảng bằng vài ngàn chiếc iPhone. Khi mà nhiều quốc gia đang muốn chuyển dịch từ nhiên liệu hóa thạch sang điện, việc sử dụng pin thể rắn đồng nghĩa với quãng đường xa hơn cũng như khoảng thời gian di chuyển nhiều hơn giữa mỗi lần sạc.

Mặt khác, nhu cầu năng lượng pin của chúng ta nhiều khả năng chỉ có tăng trong những năm tới khi mà nhiều hình thức giao thông khác cũng có thể chuyển sang sử dụng điện. Vậy câu hỏi được đặt ra là, liệu chúng ta có nên tìm chất liệu thay thế cho liti để làm giảm ảnh hưởng tới môi trường?

Phần nhiều lượng liti sử dụng trên thế giới được khai thác từ các mỏ ở Nam Mỹ

Khu vực “Tam giác Liti” thuộc dãy Andes – bao gồm phần lãnh thổ của Argentina, Bolivia và Chile – chứa khoảng hơn một nửa trữ lượng liti của toàn thế giới. Nhưng khai thác nó từ nền đất nhiều muối cần tốn nước, rất nhiều nước. Tính riêng khu vực Salar de Atacama của Chile, để làm ra 900 kg liti sẽ tốn khoảng một triệu lít nước trong quá trình khai thác. Quá trình này bao gồm việc làm tinh khiết những muối giàu kim loại bằng cách phân giải chúng trong nước, thanh lọc rồi hóa hơi loại nước muối cho tới khi chỉ còn lại các muối liti. Các tổ chức môi trường ở Chile đang cảnh báo rằng: lượng nước sử dụng bởi việc khai thác mỏ ở khu vực – bao gồm liti và đồng – đang sử dụng nhiều nước hơn lượng nước được bù đắp bởi mưa và tuyết.

Để vượt qua điều này, các nhà nghiên cứu ở Viện Công nghệ Karlsruhe đang làm việc với những loại pin sử dụng các kim loại khác trong anode, như canxi hay magie. Canxi là nguyên tố dư thừa thứ 5 trong lớp vỏ Trái Đất nên khó có thể dấy lên lo ngại về nguồn cung như liti, nhưng những nghiên cứu để cải thiện hiệu năng của pin sử dụng canxi vẫn đang ở bước khởi đầu. Magie cũng đã cho kết quả ban đầu khả quan, đặc biệt là về mật độ năng lượng, và đã có những kế hoạch thương mại hóa pin sử dụng magie trong tương lai.

Nhưng cũng có những người đang nghiên cứu những nguyên liệu còn sẵn có hơn, bao gồm cả gỗ. Giám đốc Trung tâm Phát triển Nguyên liệu tại Đại học Maryland, ông Liangbing Hu gần đây đã tạo ra một loại pin sử dụng những miếng gỗ dạng tổ ong làm điện cực, với các ion kim loại phản ứng bên trong để có thể sạc điện. Gỗ thì có nhiều, chi phí thấp và nhẹ, và cũng đang thể hiện tiềm năng hiệu suất cao trong các viên pin. Những loại pin mới nhất là kết quả của nhiều năm nghiên cứu khả năng của gỗ trong việc lưu trữ năng lượng, bao gồm cả việc bọc sợi cellulose gỗ trong vỏ thiếc. Như ta đã biết, gỗ tự nhiên có khả năng cho các chất dinh dưỡng đi qua và được vận chuyển khắp cây, đây có thể là nguyên liệu tạo ra các điện cực có khả năng thể lưu trữ ion kim loại mà không phải lo ngại khả năng phồng lên hay co lại, điều có thể xảy ra với các điện cực pin li-ion.

Trong khi loại pin sử dụng gỗ mà đội ngũ của ông Hu nghiên cứu có thể sử dụng trong những thiết bị điện tử cầm tay cũng như dùng cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn một ngày nào đó, chúng ta vẫn chưa thể sạc laptop của mình từ chúng ngay, bởi chúng vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm. Những viên pin này hiện đang mất khả năng giữ năng lượng tương đối nhanh ở thời điểm hiện tại – một phiên bản mẫu chỉ có thể giữ 61% dung lượng sau khoảng 100 lần nạp xả. Hiện tại, lượng gỗ được sử dụng là khoảng vài centimet mỗi viên, và chúng có thể xếp chồng hoặc nối với nhau cho mục tiêu sử dụng quy mô lớn hơn, điều này cho thấy tiềm năng lưu trữ năng lượng cho nhà cửa hay các công trình khác.

Liti không phải là kim loại duy nhất có trong hầu hết các loại pin hiện đại – chúng cũng sử dụng hỗn hợp cả cobalt với liti ở cathode. Việc khai thác cobalt được cho là gây ảnh hưởng đến sức khỏe của các cộng đồng dân cư gần mỏ và gây tổn hại tới môi trường. Việc khai thác cobalt cũng bị lên án bởi sử dụng lao động trẻ em, cụ thể là tại Cộng hòa Dân chủ Congo, nơi chiếm hơn một nửa mỏ cobalt trên thế giới. Gần đây, những công ty công nghệ hàng đầu như Apple, Tesla và Microsoft bị khởi kiện liên quan tới những cái chết tại mỏ cobalt.

Nói như kỹ sư hóa học tại Đại học Texas A&M, Jodie Lutkenhaus thì: “ Tất cả mọi người đều đang mang theo một cục pin li-ion khai thác bởi trẻ em“. Điều này đã thúc đẩy bà phát triển những thứ thay thế cho loại pin này sử dụng protein, những phân tử phức tạp bên trong các thực thể sống. Anode của pin thông thường sử dụng than chì và cathode được làm bởi oxit kim loại chứa các nguyên tố như cobalt. Nếu những phần này có thể được thay thế bằng các nguyên liệu hữu cơ, người ta sẽ không cần phải khai thác cobalt nhiều như hiện tại nữa.

Điều này không chỉ gạt bỏ nhu cầu khai thác kim loại độc hại từ lòng đất, nó cũng sẽ làm giảm ảnh hưởng môi trường mà pin li-ion gây ra. Thông thường, sau khi hết thời hạn sử dụng và bị thải xuống các hố trong lòng đất, các kim loại và chất điện phân từ pin li-ion có thể rò rỉ ra môi trường xung quanh, gây ra tổn hại lâu dài. Theo thống kê, chỉ khoảng 5% số pin li-ion sử dụng trong 1,5 tỉ điện thoại thông minh được bán hàng năm là được tái chế.

Cùng với các đồng nghiệp tại Đại học Texas A&M, Lutkenhaus đã phát triển một loại pin có thể giải quyết vấn đề này với tính chất đặc biệt của nó: loại pin protein này có thể được phân giải khi cần, sử dụng một loại axit, đồng nghĩa với việc nó có thể được tái chế dễ dàng hơn rất nhiều. Phiên bản hiện tại của nhóm nghiên cứu vẫn chưa thể so sánh với pin li-ion về tính hữu dụng: nó chỉ có thể truyển tải điện thế 1,5V cũng như sẽ giảm dung lượng sau khoảng 50 lần sử dụng, thế nhưng dự án này hứa hẹn sẽ mở ra một hướng đi mới trong việc chú trọng tính bền vững trong thiết kế pin.

Siêu trái cây:

Có một nhóm sáng kiến hoạt động không chỉ với mục đích tìm những cách mới để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử, mà đồng thời còn để giảm thiểu … nạn lãng phí thực phẩm. Kỹ sư hóa học tại Đại học Sydney – Vincent Gomes – và nhóm của mình đang thực hiện chuyển đổi phần lãng phí từ loại quả có mùi nhất trên thế giới – quả sầu riêng, và loại quả lớn nhất thế giới – quả mít, thành một loại siêu tụ điện với khả năng sạc đầy điện thoại, laptop trong quãng thời gian tính bằng phút.

Những trái sầu riêng nặng mùi có thể trở thành nguyên liệu cho một loại siêu tụ điện.

Siêu tụ điện là một cách khác để lưu trữ năng lượng. Chúng hoạt động với vai trò như một “bể” chứa với khả năng sạc và xả điện năng dưới dạng từng xung một cách nhanh chóng. Thường thì siêu tụ điện được làm từ những nguyên liệu đắt đỏ, ví dụ như graphene, nhưng nhóm của Gomes đã chuyển những phần không ăn được của quả sầu riêng và quả mít thành một dạng aerogel carbon – nói cách khác là một nguyên liệu thể rắn, xốp và siêu nhẹ – với khả năng lưu trữ năng lượng một cách tự nhiên. Họ đã làm nóng, rồi làm khô ở nhiệt độ đóng băng và rồi nướng phần lõi xốp của mỗi quả ở một lò ở nhiệt độ cao khoảng hơn 1500 độ C. Cấu trúc vật liệu cuối cùng họ thu được có màu đen, siêu nhẹ và cực kì xốp, từ đó có thể chuyển biến thành các điện cực trong một loại siêu tụ điện chi phí thấp.

Những siêu tụ điện này có thể được nạp đầy trong vòng 30 giây, và rồi có thể sử dụng cho nhiều thiết bị khác nhau. Labna Shabnam, thành viên nhóm nghiên cứu, cho hay: “Thật không thể tin được việc có thể sạc đầy chiếc điện thoại trong 1 phút!”. Nhóm nghiên cứu có mục đích xa hơn, với mục tiêu là sử dụng những siêu tụ điện có tính bền vững cao này để lưu điện từ các nguồn năng lượng tái tạo để rồi sử dụng trong các phương tiện giao thông và nhà cửa.

Và đó mới chỉ là một khía cạnh của độ “xanh” trong nghiên cứu này. Trong quả sầu riêng, có đến 70% không ăn được sẽ bị bỏ đi, và đây có thể là một cách xử lí hữu hiệu, nhất là khi phần thừa này có mùi rất kinh khủng với một số người. Ví dụ như trong giai đoạn đầu của nghiên cứu, vợ của Gomes đã đổ đi toàn bộ phần sầu riêng thừa trong tủ lạnh chỉ sau một đêm.

Không chỉ sầu riêng hay mít, nhiều rác thải thực vật cũng có thể được sử dụng để cấp năng lượng cho những thiết bị tương lai. Một nhóm nghiên cứu với mục đích tương tự từ Đại học Khoa học Công nghệ Quốc gia tại Moscow, Nga đã tìm cách chuyển một loại cỏ với nhựa độc, có khả năng làm bỏng da người thành nguyên liệu thô cho một loại siêu tụ điện tương tự.

Trong khi vượt qua những vấn đề về môi trường của pin li-ion có thể là một thử thách mà chúng ta sẽ có cách khắc phục, còn có những nhóm khác đang cố gắng giải quyết những giới hạn khác. Theo như Tom Scott, môt nhà khoa học về vật liệu tại Đại học Bristol, ông không tin rằng pin li-ion có thể bị thay thế trong thế kỷ này, thì cũng có những cơ hội cho việc tìm cách lưu trữ điện năng trong những môi trường khắc nghiệt.

Thay thế pin bên ngoài trạm vũ trụ ISS không phải điều gì dễ dàng, nên loại pin tuổi thọ cao sẽ trở nên rất hữu ích.

Cùng với nhóm của mình, Scott đang phát triển những viên pin làm từ kim cương. Bằng cách sử dụng những loại kim cương chứa đồng vị carbon-14 phóng xạ, họ có thể tạo ra những viên pin có khả năng sản sinh dòng điện ổn định trong hàng ngàn năm. Bị khóa bên trong mạng tinh thể kim cương, các đồng vị phóng xạ sẽ phóng ra các electron siêu năng lượng trong quá trình phân rã nguyên tử. Điều này tiếp đó sẽ tạo ra một “cơn mưa” electron qua cấu trúc kim cương mà từ đó có thể được khai thác để sản sinh ra dòng điện. Theo các nhà nghiên cứu thì ở phía ngoài pin, mức độ phóng xạ vẫn nằm trong khoảng an toàn.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một phiên bản thử nghiệm của loại “pin kim cương” này, sử dụng những viên kim cương nhân tạo đặt bên trong một vùng phóng xạ tạo ra bởi đồng vị Nickel-63, từ đó tạo ra một dòng electrons qua lớp kim cương. Nhưng hiện tại họ đang làm việc để tạo ra một phiên bản sử dụng đồng vị Carbon-14 tạo ra từ những khối graphite sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân. Bằng cách chuyển rác thải nguyên từ thành một loại pin với tuổi thọ lâu dài, Scott và các đồng nghiệp hi vọng sẽ xử lí được lượng rác thải lớn từ các nhà máy điện hạt nhân đang dần được cho ngừng hoạt động.

Trong khi những loại pin gốc hóa học như pin li-ion không hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cao, loại pin kim cương này có khả năng hoạt động ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt nhất, những nơi mà con người khó có thể tiếp cận để thực hiện việc thay pin, ví dụ như trong không gian hay dưới đáy biển sâu. Điều này khiến chúng trở nên hoàn hảo cho một số thiết bị đặc thù như các vệ tinh và các cảm biến máy tính ngoài không gian.

Theo như Scott thì: “ Những viên pin loại này vô cùng nhỏ bé“. Thật vậy, ở thời điểm hiện tại, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra những viên pin kim cương có thể cho ra dòng 1,8V – tương tự như một viên pin AA – nhưng cường độ dòng điện vẫn còn thua kém. Những viên pin loại này cũng có thể được sạc lại trên lý thuyết, nhưng sẽ cần vài tiếng bên trong lõi một lò phản ứng để thực hiện điều này, theo như Scott. Nhưng dù sao cũng không phải quan tâm tới chuyện này làm gì, bởi với chu kì bán rã khoảng 5730 năm của Carbon-14, loại pin này có thể cấp điện dù nhỏ giọt trong suốt quãng thời gian này.

Hơn thế, dù được làm từ kim cương, nhưng loại pin này có vẻ như không quá đắt đỏ. Scott nói: “Các bạn sẽ ngạc nhiên nếu biết chi phí kim cương nhân tạo cho viên pin này thấp đến thế nào.”. Ông cũng tin rằng, trong một hay hai thập kỷ tới, chúng ta có thể thấy sự xuất hiện của loại pin với tuổi thọ siêu dài này trong ngôi nhà của mình, ví dụ để dùng cho thiết bị cảnh báo khói hay điều khiển TV, hoặc ứng dụng trong y học như trong máy trợ thính hay máy trợ tim. Dù thế nào, viễn cảnh không phải quan tâm đến chuyện thay thế pin cho những thiết bị lặt vặt trong gia đình cũng thực sự đáng trông đợi.