VNR Content
Pearl
Nhiều nhà khoa học đồng ý rằng chúng ta đang trên con đường tiến đến một cuộc cách mạng về pin, mà động lực lớn nhất chính là những kêu gọi nhằm giảm thiểu nhiên liệu hoá thạch, cũng như sự trỗi dậy mạnh mẽ của các loại xe ô tô chạy điện. Họ nói rằng, pin thể rắn là một trong những hướng đi hứa hẹn nhất mà công nghệ pin của tương lai có thể áp dụng.
Một trong các nhà khoa học đó là Jeff Sakamoto, giáo sư chuyên ngành kỹ thuật cơ khí tại Đại học Michigan. Nhóm của ông hiện đang nghiên cứu về pin thể rắn, với kỳ vọng biến nó trở thành lựa chọn thay thế cho pin lithium-ion - loại pin được xem là tiêu chuẩn vàng hiện nay, và cũng từng khởi xướng một cuộc cách mạng về pin nhiều năm trước.
Sakamoto có kinh nghiệm về xe ô tô, do đó ông rất hứng thú trong việc tìm kiếm những giải pháp có thể giúp chúng ta từ bỏ động cơ đốt trong và nhiên liệu hoá thạch. Ông còn điều hành Zakuro Inc., một công ty trụ sở tại thành phố Ann Arbor, Michigan, nhằm làm cầu nối giữa những ý tưởng lớn mà nhóm nghiên cứu trong trường đại học của ông đưa ra với quy trình nghiên cứu và phát triển dài hơi để tạo ra những sản phẩm thực thụ trên thị trường.
Giáo sư Jeff Sakamoto
Trang Popular Mechanics đã thực hiện một bài phỏng vấn với Sakamoto về dự án nghiên cứu pin của ông, cũng như những mục tiêu mà dự án này muốn đạt được trong thời gian tới. Dưới đây là bài lược dịch để các bạn tiện theo dõi.
Popular Mechanics (PM): Tại sao chúng ta cần quan tâm về pin?
Jeff Sakamoto (JS): Hiện nay, hoạt động vận tải người và hàng hoá chủ yếu dựa vào nhiên liệu hoá thạch. Điện hoá hoạt động vận tải sẽ giúp giảm bớt mức độ tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch. Tuy nhiên, điện hoá động cơ lại đòi hỏi phải đảm bảo mức năng lượng cao (Wh/kg) và một thiết bị lưu trữ năng lượng điện giá tốt (USD/kWh). Pin là ứng viên hàng đầu đáp ứng nhu cầu này; đặc biệt là những loại pin gốc Lithium, khi mà chúng có thể đạt được hơn 200 Wh/kg và khoảng dưới 80 USD/kWh.
PM: Sở thích đã dẫn ông đến với dự án nghiên cứu về pin như thế nào?
JS: Tôi bắt đầu nghiên cứu về xe ô tô khi còn tuổi teen. Có lẽ đến bây giờ, dầu mỡ vẫn còn bám dưới móng tay tôi đây. Nhưng đừng hiểu lầm ý tối, động cơ đốt trong (ICE) thực sự là một công nghệ tuyệt vời, và là công cụ thúc đẩy nền văn minh tiến bộ trong thế kỷ 20. Tuy nhiên, khi chúng ta tiến vào thế kỷ 21 và xa hơn nữa, chúng ta cần dựa vào một loại năng lượng sạch hơn, bền vững hơn. Và để trả lời câu hỏi của bạn, thì đam mê nghiên cứu về pin của tôi đến từ niềm yêu thích đối với công nghệ/hệ thống cơ khí xe ô tô. Nhân tiện, tại Đại học Michigan và Ann Arbor, nhiều sinh viên và kỹ sư trẻ mà tôi biết cũng có đam mê tương tự.
PM: Ông nghĩ điều gì là quan trọng nhất mà các nhà nghiên cứu mới tìm hiểu về lĩnh vực pin cần biết về nghiên cứu của ông?
JS: Đầu tiên, các loại pin Li-ion tiên tiến rất tuyệt, và sẽ là công nghệ pin nền tảng cho cuộc chuyển đổi từ các phương tiện ICE lên chạy điện. Thứ hai, có những thách thức liên quan đến vật liệu thô làm cực âm (cathode) hoặc kim loại dùng trong pin Li-ion. Cuối cùng, thị trường luôn cần một loại pin giá thấp hơn và độ an toàn cao hơn. Để giải quyết được những thách thức đó, cần nghiên cứu những loại pin và vật liệu mới.
PM: Những yếu tố then chốt nào tạo nên sự khác biệt giữa pin lithium-ion và pin thể rắn?
JS: Nếu pin thể rắn được thương mại hoá, hiệu năng, độ an toàn, và có lẽ là giá bán của nó, sẽ giúp nó trở nên đặc biệt trên thị trường.
PM: Liệu có những thách thức nào mà chúng ta chưa lường trước được về pin kim loại lithium rắn không?
JS: Tôi nghĩ những thách thức lớn nhất đã được xác định rõ từ những ngày đầu nghiên cứu pin thể rắn. Tuy nhiên, nếu có điều gì đó ngạc nhiên, thì đó là trạng thái vật lý của kim loại lithium (cực dương trong nhiều thiết kế pin thể rắn), chứ không phải là trạng thái của chất điện phân dạng rắn vốn đóng vai trò quan trọng trong pin thể rắn. Đã có khoảng trên dưới 10 nghiên cứu về trạng thái vật lý của kim loại lithium trong thế kỷ 20. Bởi cách hoạt động của pin kim loại lithium thể rắn có sự khác biệt cơ bản so với pin Li-ion chứa chất điện phân dạng lỏng, chúng ta vẫn cần phải tìm hiểu nhiều hơn về đặc tính vật lý của kim loại lithium trước khi đưa nó vào thương mại hoá.
PM: Mức độ an toàn của pin kim loại lithium rắn so với pin lithium-ion khi dùng trong xe ô tô điện sẽ ra sao?
JS: Chất điện phân dạng rắn sẽ thay thế chất điện phân dạng lỏng vốn dễ bắt lửa trong pin Li-ion, do đó cải thiện được đáng kể mức độ an toàn. Bạn hẳn từng thấy và đọc trong các bản tin, vấn đề an toàn với chất điện phân dạng lỏng trong Li-ion gây ra nhiều cản trở cho quá trình chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện. Tuy nhiên, một viên pin dạng rắn sử dụng kim loại lithium sẽ cần nhiều kilogram kim loại lithium nguyên chất, vốn sẽ phản ứng khi tiếp xúc với hơi ẩm. Có phải chúng ta đang đánh đổi một vấn đề về an toàn này để lấy một vấn đề về an toàn khác hay không? Tôi không chắc. Nhưng chỉ bởi kim loại lithium phản ứng với hơi ẩm không đồng nghĩa nó nguy hiểm hơn Li-ion. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu được mức độ an toàn của các loại pin thể rắn.
Pin lithium-ion và pin thể rắn
PM: Pin lithium rắn sẽ có tính ứng dụng ra sao trong tương lai gần, khi mà chúng ta chiến đấu với tình trạng biến đổi khí hậu?
JS: Khi một nhà khoa học về pin nhìn vào bảng tuần hoàn nguyên tố hoá học, người đó có lẽ đã biết rằng trên thực tế, không có nhiều nguyên tố có thể được kết hợp để chế tạo ra một loại pin tốt hơn pin lithium cho xe ô tô điện. Ngoài Li-ion, cá nhân tôi nhận định pin lithium thể rắn đang tiến đến rào cản cuối cùng trong công nghệ pin cho xe ô tô điện. Nếu chúng ta cần một loại pin khả thi nào đó để thúc đẩy chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện, và nếu pin thể rắn thay thế được Li-ion, thì rõ ràng vai trò của pin thể rắn trong chiến đấu chống biến đổi khí hậu là rất quan trọng.
PM: Có nghiên cứu nào khác về pin từ một ai khác trong lĩnh vực này làm ông thấy hứng thú không?
JS: Có hai nghiên cứu. Đầu tiên, để giải quyết vấn đề liên quan đến vật liệu thô sử dụng trong cực âm của pin Li-ion hiện đại, sulfur là lựa chọn thay thế tiềm năng giá rẻ, có nhiều trong tự nhiên, và không độc hại. Lithium sẽ được dùng trong cực dương của pin lithium-sulfur. Tuy nhiên, loại pin này vẫn còn là một thách thức. Thứ hai, khi chuyển dịch sang xe ô tô điện, cần một giải pháp lưu trữ điện lưới (điện độc lập). Tin tốt là khối lượng và kích cỡ của hệ thống điện độc lập này thấp hơn đáng kể so với pin xe ô tô điện. Nhưng lúc này chúng ta lại phải đối mặt với vấn đề chi phí, tính bền vững, mức độ độc hại, và khả năng tích hợp.
Nhìn chung, công nghệ pin là một trong những yếu tố đặc biệt quan trọng trong quá trình chuyển dịch từ nhiên liệu hoá thạch sang năng lượng điện. Hơn nữa, quá trình chuyển dịch này đã và đang diễn ra, xét việc số lượng xe ô tô điện đang ngày càng nhiều và sẽ tăng thêm nữa trong những thập kỷ tới. Đây là khoảnh khắc lịch sử của pin. Công nghệ pin, dưới một số hình dáng, phương thức, hay thành phần khác nhau, chắc chắn sẽ đáp ứng được nhu cầu của con người.
Tham khảo: PolularMechanics
Một trong các nhà khoa học đó là Jeff Sakamoto, giáo sư chuyên ngành kỹ thuật cơ khí tại Đại học Michigan. Nhóm của ông hiện đang nghiên cứu về pin thể rắn, với kỳ vọng biến nó trở thành lựa chọn thay thế cho pin lithium-ion - loại pin được xem là tiêu chuẩn vàng hiện nay, và cũng từng khởi xướng một cuộc cách mạng về pin nhiều năm trước.
Sakamoto có kinh nghiệm về xe ô tô, do đó ông rất hứng thú trong việc tìm kiếm những giải pháp có thể giúp chúng ta từ bỏ động cơ đốt trong và nhiên liệu hoá thạch. Ông còn điều hành Zakuro Inc., một công ty trụ sở tại thành phố Ann Arbor, Michigan, nhằm làm cầu nối giữa những ý tưởng lớn mà nhóm nghiên cứu trong trường đại học của ông đưa ra với quy trình nghiên cứu và phát triển dài hơi để tạo ra những sản phẩm thực thụ trên thị trường.
Trang Popular Mechanics đã thực hiện một bài phỏng vấn với Sakamoto về dự án nghiên cứu pin của ông, cũng như những mục tiêu mà dự án này muốn đạt được trong thời gian tới. Dưới đây là bài lược dịch để các bạn tiện theo dõi.
Popular Mechanics (PM): Tại sao chúng ta cần quan tâm về pin?
Jeff Sakamoto (JS): Hiện nay, hoạt động vận tải người và hàng hoá chủ yếu dựa vào nhiên liệu hoá thạch. Điện hoá hoạt động vận tải sẽ giúp giảm bớt mức độ tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch. Tuy nhiên, điện hoá động cơ lại đòi hỏi phải đảm bảo mức năng lượng cao (Wh/kg) và một thiết bị lưu trữ năng lượng điện giá tốt (USD/kWh). Pin là ứng viên hàng đầu đáp ứng nhu cầu này; đặc biệt là những loại pin gốc Lithium, khi mà chúng có thể đạt được hơn 200 Wh/kg và khoảng dưới 80 USD/kWh.
PM: Sở thích đã dẫn ông đến với dự án nghiên cứu về pin như thế nào?
JS: Tôi bắt đầu nghiên cứu về xe ô tô khi còn tuổi teen. Có lẽ đến bây giờ, dầu mỡ vẫn còn bám dưới móng tay tôi đây. Nhưng đừng hiểu lầm ý tối, động cơ đốt trong (ICE) thực sự là một công nghệ tuyệt vời, và là công cụ thúc đẩy nền văn minh tiến bộ trong thế kỷ 20. Tuy nhiên, khi chúng ta tiến vào thế kỷ 21 và xa hơn nữa, chúng ta cần dựa vào một loại năng lượng sạch hơn, bền vững hơn. Và để trả lời câu hỏi của bạn, thì đam mê nghiên cứu về pin của tôi đến từ niềm yêu thích đối với công nghệ/hệ thống cơ khí xe ô tô. Nhân tiện, tại Đại học Michigan và Ann Arbor, nhiều sinh viên và kỹ sư trẻ mà tôi biết cũng có đam mê tương tự.
PM: Ông nghĩ điều gì là quan trọng nhất mà các nhà nghiên cứu mới tìm hiểu về lĩnh vực pin cần biết về nghiên cứu của ông?
JS: Đầu tiên, các loại pin Li-ion tiên tiến rất tuyệt, và sẽ là công nghệ pin nền tảng cho cuộc chuyển đổi từ các phương tiện ICE lên chạy điện. Thứ hai, có những thách thức liên quan đến vật liệu thô làm cực âm (cathode) hoặc kim loại dùng trong pin Li-ion. Cuối cùng, thị trường luôn cần một loại pin giá thấp hơn và độ an toàn cao hơn. Để giải quyết được những thách thức đó, cần nghiên cứu những loại pin và vật liệu mới.
PM: Những yếu tố then chốt nào tạo nên sự khác biệt giữa pin lithium-ion và pin thể rắn?
JS: Nếu pin thể rắn được thương mại hoá, hiệu năng, độ an toàn, và có lẽ là giá bán của nó, sẽ giúp nó trở nên đặc biệt trên thị trường.
PM: Liệu có những thách thức nào mà chúng ta chưa lường trước được về pin kim loại lithium rắn không?
JS: Tôi nghĩ những thách thức lớn nhất đã được xác định rõ từ những ngày đầu nghiên cứu pin thể rắn. Tuy nhiên, nếu có điều gì đó ngạc nhiên, thì đó là trạng thái vật lý của kim loại lithium (cực dương trong nhiều thiết kế pin thể rắn), chứ không phải là trạng thái của chất điện phân dạng rắn vốn đóng vai trò quan trọng trong pin thể rắn. Đã có khoảng trên dưới 10 nghiên cứu về trạng thái vật lý của kim loại lithium trong thế kỷ 20. Bởi cách hoạt động của pin kim loại lithium thể rắn có sự khác biệt cơ bản so với pin Li-ion chứa chất điện phân dạng lỏng, chúng ta vẫn cần phải tìm hiểu nhiều hơn về đặc tính vật lý của kim loại lithium trước khi đưa nó vào thương mại hoá.
PM: Mức độ an toàn của pin kim loại lithium rắn so với pin lithium-ion khi dùng trong xe ô tô điện sẽ ra sao?
JS: Chất điện phân dạng rắn sẽ thay thế chất điện phân dạng lỏng vốn dễ bắt lửa trong pin Li-ion, do đó cải thiện được đáng kể mức độ an toàn. Bạn hẳn từng thấy và đọc trong các bản tin, vấn đề an toàn với chất điện phân dạng lỏng trong Li-ion gây ra nhiều cản trở cho quá trình chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện. Tuy nhiên, một viên pin dạng rắn sử dụng kim loại lithium sẽ cần nhiều kilogram kim loại lithium nguyên chất, vốn sẽ phản ứng khi tiếp xúc với hơi ẩm. Có phải chúng ta đang đánh đổi một vấn đề về an toàn này để lấy một vấn đề về an toàn khác hay không? Tôi không chắc. Nhưng chỉ bởi kim loại lithium phản ứng với hơi ẩm không đồng nghĩa nó nguy hiểm hơn Li-ion. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu được mức độ an toàn của các loại pin thể rắn.
PM: Pin lithium rắn sẽ có tính ứng dụng ra sao trong tương lai gần, khi mà chúng ta chiến đấu với tình trạng biến đổi khí hậu?
JS: Khi một nhà khoa học về pin nhìn vào bảng tuần hoàn nguyên tố hoá học, người đó có lẽ đã biết rằng trên thực tế, không có nhiều nguyên tố có thể được kết hợp để chế tạo ra một loại pin tốt hơn pin lithium cho xe ô tô điện. Ngoài Li-ion, cá nhân tôi nhận định pin lithium thể rắn đang tiến đến rào cản cuối cùng trong công nghệ pin cho xe ô tô điện. Nếu chúng ta cần một loại pin khả thi nào đó để thúc đẩy chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện, và nếu pin thể rắn thay thế được Li-ion, thì rõ ràng vai trò của pin thể rắn trong chiến đấu chống biến đổi khí hậu là rất quan trọng.
PM: Có nghiên cứu nào khác về pin từ một ai khác trong lĩnh vực này làm ông thấy hứng thú không?
JS: Có hai nghiên cứu. Đầu tiên, để giải quyết vấn đề liên quan đến vật liệu thô sử dụng trong cực âm của pin Li-ion hiện đại, sulfur là lựa chọn thay thế tiềm năng giá rẻ, có nhiều trong tự nhiên, và không độc hại. Lithium sẽ được dùng trong cực dương của pin lithium-sulfur. Tuy nhiên, loại pin này vẫn còn là một thách thức. Thứ hai, khi chuyển dịch sang xe ô tô điện, cần một giải pháp lưu trữ điện lưới (điện độc lập). Tin tốt là khối lượng và kích cỡ của hệ thống điện độc lập này thấp hơn đáng kể so với pin xe ô tô điện. Nhưng lúc này chúng ta lại phải đối mặt với vấn đề chi phí, tính bền vững, mức độ độc hại, và khả năng tích hợp.
Nhìn chung, công nghệ pin là một trong những yếu tố đặc biệt quan trọng trong quá trình chuyển dịch từ nhiên liệu hoá thạch sang năng lượng điện. Hơn nữa, quá trình chuyển dịch này đã và đang diễn ra, xét việc số lượng xe ô tô điện đang ngày càng nhiều và sẽ tăng thêm nữa trong những thập kỷ tới. Đây là khoảnh khắc lịch sử của pin. Công nghệ pin, dưới một số hình dáng, phương thức, hay thành phần khác nhau, chắc chắn sẽ đáp ứng được nhu cầu của con người.
Tham khảo: PolularMechanics
