Những hạn chế của pin lithium-ion – công nghệ pin vốn đã xuất hiện trong các thiết bị di động của chúng ta trong 3 thập kỷ qua – đang trở nên rõ ràng hơn bao giờ hết. Và cuộc đua tìm ra công nghệ thay thế pin lithium-ion vẫn đang ngầm diễn ra từng ngày.
Giáo sư Kiyoshi Kanamura tại Đại học Tokyo Metropolitan đã tạo ra một loại pin sử dụng oxit mangan ở điện cực dương và kim loại magiê ở điện cực âm.
Công nghệ magnesium-ion (ion magiê) có thể trở thành một lựa chọn thay thế, hoặc thậm chí là công nghệ zinc-ion (ion kẽm). Theo các dự đoán, sau năm 2030, những công nghệ này sẽ trưởng thành và có thể thay thế cho pin lithium-ion.
Đại học Cambridge, nhiều trường cao đẳng kỹ thuật tại Đan Mạch và Israel cũng như những tổ chức nghiên cứu từ Đức và Tây Ban Nha đã thành lập Cộng đồng Pin Tương tác Magie Châu Âu, được gọi là E-Magic.
Tổ chức này cho biết, mục tiêu của họ là phát triển một cách tiếp cận khoa học và kỹ thuật đột phá cho thế hệ pin magiê tương lai sở hữu mật độ năng lượng cao cũng như thân thiện với môi trường.
Với sự hỗ trợ tài chính từ Liên Minh Châu Âu, tổ chức này mong muốn đưa mật độ năng lượng 1.000W vào 1 viên pin magnesium-ion có dung tích 1 lít. Con số này gấp đôi công nghệ lithium-ion cũ, vốn được Sony thương mại hóa lần đầu tiên vào năm 1991.
Ba thập kỉ trước, những thứ diệu kỳ này đã cung cấp cho chúng ta khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn nhiều so với những viên pin nickel-hydrogen (niken-hydro) và lead-acid (axit chì) mà chúng ta đã sử dụng. Pin lithium-ion hiện cung cấp năng lượng cho những chiếc máy nghe nhạc Walkman, laptop, iPod hay thậm chí là smartphone của chúng ta.
Thậm chí, lithium-ion đã thâm nhập vào lĩnh vực xe điện và máy bay phản lực. Các nhà nghiên cứu thực hiện những khám phá quan trọng về lithium-ion đã được trao giải Nobel hóa học vào năm 2019. Công nghệ này vẫn là lựa chọn hàng đầu cho những viên pin lưu trữ.
Nhược điểm lớn nhất của lithium-ion chính là những vật liệu làm nên chúng lại rất đắt tiền. Các viên pin Li-ion (viết tắt của lithium-ion) rất tốt khi cung cấp năng lượng cho những chiếc tablet của chúng ta, nhưng khi nhân loại tiến sâu hơn đến các nguồn năng lượng tái tạo, nó cần một công nghệ có thể lưu trữ lượng điện lớn hơn nhiều.
Các hệ thống có thể lưu trữ điện từ những nguồn tái tạo phải giảm giá nếu Trái Đất không còn nhiên liệu hóa thạch và mọi người cố gắng làm chậm sự nóng lên toàn cầu. Và thành phần đắt đỏ nhất của một hệ thống như vậy chính là pin.
Các nhà sản xuất pin đã tích trữ lượng điện năng vào pin lithium-ion nhiều nhất có thể. Và các vật liệu quan trọng, lithium (liti) và cobalt (coban), chỉ có thể khai thác ở một vài địa điểm. Theo các nguyên cứu, có 16 triệu tấn lithium dự trữ và 7 triệu tấn cobalt trên Trái Đất, nhưng không phải tất cả đều có thể được sử dụng để sản xuất pin.
E-Magic nhắm đến magnesium (magiê) với ưu điểm chi phí liên quan có thể được hạ xuống thấp hơn so với lithium. Một cell magnesium-ion sẽ sử dụng kim loại magiê trong điện cực âm.
Một ion magiê mang 2 electron khi dịch chuyển bên trong 1 cell. Các ion đa điện tích giúp tạo ra nhiều electron được sử dụng để sạc và phóng điện hơn, do đó, chúng có thể đạt được công suất gấp đôi so với những cell sử dụng các ion liti vốn mỗi cell chỉ có thể mang 1 electron. E-Magic tiết lộ rằng họ đã thành công trong việc lặp lại chu kỳ sạc/xả cho 1 viên pin magnesium-ion hơn 500 lần.
E-Magic dự định cải thiện chất lượng của dung môi điện phân mang ion cũng như những vật liệu điện cực hiệu quả hơn. Dù những viên pin này không hoạt động tốt như các viên pin lithium-ion, nhưng chúng có đủ tiềm năng để giải quyết vấn đề tài nguyên.
Hiện vẫn chưa có giải pháp khả thi nào thay thế cho pin lithium-ion
Tại Mỹ, các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Toyota Bắc Mỹ và Đại học Houston đã phát triển 1 loại pin magnesium-ion mới, trong đó 1 hợp chất hữu cơ được sử dụng trong điện cực dương và 1 khối boron lớn được sử dụng làm dung môi điện phân có chứa các ion chuyển động.
Thời điểm hiện tại, chu kỳ sạc của viên pin này là hơn 200 một chút. Con số này không phải là nhiều, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết: “Hiện chúng tôi đã nhận thấy hướng phát triển pin hiệu suất cao với độ ổn định cao.”
Tại Nhật Bản, Giáo sư Kiyoshi Kanamura tại Đại học Kiyoshi Kanamura đã phát triển 1 loại pin sử dụng oxit mangan ở điện cực dương và kim loại magiê đối với điện cực âm.
Giống như magiê, kẽm cũng đang thu hút nhiều sự chú ý. Trợ lý giáo sư Hiroaki Kobayashi cùng giáo sư Itaru Honma của Đại học Tohoku đã phát triển 1 loại pin zinc-ion (ion kẽm) mới sử dụng dung dịch nước thay cho dung môi hữu cơ với mục đích điện phân. Việc sử dụng này giúp viên pin khó có nguy cơ bắt lửa – một vấn đề khi những viên pin Li-ion lần đầu xuất hiện. Các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu chuẩn giao công nghệ này cho những công ty sản xuất pin để nó có thể áp dụng cho việc lưu trữ điện từ những nguồn năng lượng tái tạo.
Các giải pháp thay thế cho pin lithium-ion cần phải ít tốn kém và bền bỉ hơn. Do đó, các nhà nghiên cứu bắt buộc phải xác định những nguyên tố phù hợp sử dụng trong mỗi điện cực chứ không chỉ mỗi việc nghĩ ra ý tưởng cho hình dạng điện cực mới.
Nếu liti bị gạt bỏ đi thì nguyên tố nào sẽ là giải pháp khả thi để thay thế nó? Magiê, kẽm hay nhôm? Hay một nguyên tố nào khác? Cuộc đua này vẫn đang ngầm diễn ra.
Các nhà nghiên cứu Mỹ đang làm việc chăm chỉ nhằm tạo ra một loại pin ion đa điện tích, nhưng những nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã đi trước, ít nhất là ở thời điểm hiện tại.
Ba thập kỷ trước, các công ty Nhật Bản đã phát triển thị trường cho những viên pin lithium-ion, nhưng ngày nay, những công ty Trung Quốc và Hàn Quốc đang nắm giữ một thị phần lớn đối với các loại pin này. Cuộc chiến giành vị trí tối cao đối với những viên pin ion đa điện tích cũng nhằm mục đích giành được lợi thế của người tiên phong.
Nguồn: Nikkei Asia
Công nghệ magnesium-ion (ion magiê) có thể trở thành một lựa chọn thay thế, hoặc thậm chí là công nghệ zinc-ion (ion kẽm). Theo các dự đoán, sau năm 2030, những công nghệ này sẽ trưởng thành và có thể thay thế cho pin lithium-ion.
Đại học Cambridge, nhiều trường cao đẳng kỹ thuật tại Đan Mạch và Israel cũng như những tổ chức nghiên cứu từ Đức và Tây Ban Nha đã thành lập Cộng đồng Pin Tương tác Magie Châu Âu, được gọi là E-Magic.
Tổ chức này cho biết, mục tiêu của họ là phát triển một cách tiếp cận khoa học và kỹ thuật đột phá cho thế hệ pin magiê tương lai sở hữu mật độ năng lượng cao cũng như thân thiện với môi trường.
Với sự hỗ trợ tài chính từ Liên Minh Châu Âu, tổ chức này mong muốn đưa mật độ năng lượng 1.000W vào 1 viên pin magnesium-ion có dung tích 1 lít. Con số này gấp đôi công nghệ lithium-ion cũ, vốn được Sony thương mại hóa lần đầu tiên vào năm 1991.
Ba thập kỉ trước, những thứ diệu kỳ này đã cung cấp cho chúng ta khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn nhiều so với những viên pin nickel-hydrogen (niken-hydro) và lead-acid (axit chì) mà chúng ta đã sử dụng. Pin lithium-ion hiện cung cấp năng lượng cho những chiếc máy nghe nhạc Walkman, laptop, iPod hay thậm chí là smartphone của chúng ta.
Thậm chí, lithium-ion đã thâm nhập vào lĩnh vực xe điện và máy bay phản lực. Các nhà nghiên cứu thực hiện những khám phá quan trọng về lithium-ion đã được trao giải Nobel hóa học vào năm 2019. Công nghệ này vẫn là lựa chọn hàng đầu cho những viên pin lưu trữ.
Nhược điểm lớn nhất của lithium-ion chính là những vật liệu làm nên chúng lại rất đắt tiền. Các viên pin Li-ion (viết tắt của lithium-ion) rất tốt khi cung cấp năng lượng cho những chiếc tablet của chúng ta, nhưng khi nhân loại tiến sâu hơn đến các nguồn năng lượng tái tạo, nó cần một công nghệ có thể lưu trữ lượng điện lớn hơn nhiều.
Các hệ thống có thể lưu trữ điện từ những nguồn tái tạo phải giảm giá nếu Trái Đất không còn nhiên liệu hóa thạch và mọi người cố gắng làm chậm sự nóng lên toàn cầu. Và thành phần đắt đỏ nhất của một hệ thống như vậy chính là pin.
Các nhà sản xuất pin đã tích trữ lượng điện năng vào pin lithium-ion nhiều nhất có thể. Và các vật liệu quan trọng, lithium (liti) và cobalt (coban), chỉ có thể khai thác ở một vài địa điểm. Theo các nguyên cứu, có 16 triệu tấn lithium dự trữ và 7 triệu tấn cobalt trên Trái Đất, nhưng không phải tất cả đều có thể được sử dụng để sản xuất pin.
E-Magic nhắm đến magnesium (magiê) với ưu điểm chi phí liên quan có thể được hạ xuống thấp hơn so với lithium. Một cell magnesium-ion sẽ sử dụng kim loại magiê trong điện cực âm.
Một ion magiê mang 2 electron khi dịch chuyển bên trong 1 cell. Các ion đa điện tích giúp tạo ra nhiều electron được sử dụng để sạc và phóng điện hơn, do đó, chúng có thể đạt được công suất gấp đôi so với những cell sử dụng các ion liti vốn mỗi cell chỉ có thể mang 1 electron. E-Magic tiết lộ rằng họ đã thành công trong việc lặp lại chu kỳ sạc/xả cho 1 viên pin magnesium-ion hơn 500 lần.
E-Magic dự định cải thiện chất lượng của dung môi điện phân mang ion cũng như những vật liệu điện cực hiệu quả hơn. Dù những viên pin này không hoạt động tốt như các viên pin lithium-ion, nhưng chúng có đủ tiềm năng để giải quyết vấn đề tài nguyên.
Tại Mỹ, các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Toyota Bắc Mỹ và Đại học Houston đã phát triển 1 loại pin magnesium-ion mới, trong đó 1 hợp chất hữu cơ được sử dụng trong điện cực dương và 1 khối boron lớn được sử dụng làm dung môi điện phân có chứa các ion chuyển động.
Thời điểm hiện tại, chu kỳ sạc của viên pin này là hơn 200 một chút. Con số này không phải là nhiều, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết: “Hiện chúng tôi đã nhận thấy hướng phát triển pin hiệu suất cao với độ ổn định cao.”
Tại Nhật Bản, Giáo sư Kiyoshi Kanamura tại Đại học Kiyoshi Kanamura đã phát triển 1 loại pin sử dụng oxit mangan ở điện cực dương và kim loại magiê đối với điện cực âm.
Giống như magiê, kẽm cũng đang thu hút nhiều sự chú ý. Trợ lý giáo sư Hiroaki Kobayashi cùng giáo sư Itaru Honma của Đại học Tohoku đã phát triển 1 loại pin zinc-ion (ion kẽm) mới sử dụng dung dịch nước thay cho dung môi hữu cơ với mục đích điện phân. Việc sử dụng này giúp viên pin khó có nguy cơ bắt lửa – một vấn đề khi những viên pin Li-ion lần đầu xuất hiện. Các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu chuẩn giao công nghệ này cho những công ty sản xuất pin để nó có thể áp dụng cho việc lưu trữ điện từ những nguồn năng lượng tái tạo.
Các giải pháp thay thế cho pin lithium-ion cần phải ít tốn kém và bền bỉ hơn. Do đó, các nhà nghiên cứu bắt buộc phải xác định những nguyên tố phù hợp sử dụng trong mỗi điện cực chứ không chỉ mỗi việc nghĩ ra ý tưởng cho hình dạng điện cực mới.
Nếu liti bị gạt bỏ đi thì nguyên tố nào sẽ là giải pháp khả thi để thay thế nó? Magiê, kẽm hay nhôm? Hay một nguyên tố nào khác? Cuộc đua này vẫn đang ngầm diễn ra.
Các nhà nghiên cứu Mỹ đang làm việc chăm chỉ nhằm tạo ra một loại pin ion đa điện tích, nhưng những nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã đi trước, ít nhất là ở thời điểm hiện tại.
Ba thập kỷ trước, các công ty Nhật Bản đã phát triển thị trường cho những viên pin lithium-ion, nhưng ngày nay, những công ty Trung Quốc và Hàn Quốc đang nắm giữ một thị phần lớn đối với các loại pin này. Cuộc chiến giành vị trí tối cao đối với những viên pin ion đa điện tích cũng nhằm mục đích giành được lợi thế của người tiên phong.
Nguồn: Nikkei Asia
