Cuộc cách mạng trong lưu trữ năng lượng

Sự ra đời của pin Lithium-ion đã được đặt ra trong cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970. Nhà hóa học người Anh Stanley Whmitham, Đại học Binghamton, đã nghiên cứu phát triển các phương pháp có thể dẫn đến các công nghệ về năng lượng không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Ông bắt đầu nghiên cứu các chất siêu dẫn và phát hiện ra một vật liệu cực kỳ giàu năng lượng, đó là thứ mà ông đã sử dụng để tạo ra một cực âm trong pin Lithium. Đây chính là tiền đề để phát triển loại pin Lithium đầu tiên.

Trong nghiên cứu thử nghiệm của mình, Whittingham đã sử dụng Titan disulfua và kim loại Lithium (Li) làm điện cực. Lithium là một trong những nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn và nó có một trong những tiềm năng điện hóa rất lớn. Khi các điện cực kim loại Lithium được sử dụng, chúng tạo ra mật độ năng lượng (lưu trữ năng lượng cho mỗi đơn vị thể tích) cao hơn so với pin truyền thống, do đó mở đột phá công nghệ cho phép tạo ra những thế hệ pin nhỏ gọn nhưng dung lượng điện năng cao.

Tuy nhiên, Titan disulfua là một lựa chọn không khả quan vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện chân không hoàn toàn. Để làm được điều này cần một chi phí đắt đỏ, gần 1000 USD cho mỗi kilogram Titan disulfua trong những năm 1970. Ngoài ra, khi tiếp xúc với không khí, Titan disulfua phản ứng tạo thành các hợp chất Hydro sulfua có mùi khó chịu. Vì lý do này và các lý do khác, Exxon đã ngưng sản xuất pin Titan disulfua - Lithium.

Pin có điện cực Lithium kim loại đã cho thấy các vấn đề về an toàn vì Lithium là một chất phản ứng mạnh. Nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong không khí. Do vậy việc nghiên cứu đã chuyển qua phát triển pin không sử dụng kim loại Lithium mà sử dụng các hợp chất hóa học của Lithium với khả năng nhận và giải phóng các ion Lithium.

Năm 1980, nhà vật lý người Mỹ John Goodenough, Đại học Texas, dự đoán rằng cực âm sẽ có tiềm năng lớn hơn nữa nếu nó được tạo ra bằng cách sử dụng oxit kim loại thay vì sulfua kim loại.  John Goodenough đã phát minh ra một loại pin Lithium mới là pin Lithium-ion , trong đó Lithium có thể di chuyển qua pin từ điện cực này sang điện cực khác dưới dạng ion Li +. Trong loại pin mới này, Lithium được kết hợp với một kim loại chuyển tiếp như coban, niken, mangan hoặc sắt - và oxy để tạo thành cực âm. Ông đã chứng minh rằng oxit coban với các ion Lithium xen kẽ có thể tạo ra công suất lên đến 4 volt. Đây là một bước đột phá quan trọng và sẽ dẫn đến pin mạnh hơn nhiều. Bằng cách sử dụng LiCoO2 đã mở ra một triển vọng mới cho công nghệ pin và đặc biệt là pin có thể sạc lại nhờ vào tính chất của nó là một chất dẫn điện tích dương ổn định. Phát minh của ông giúp tăng gấp đôi tiềm năng hoạt động của pin Lithium, tạo ra những điều kiện phù hợp để có một loại pin mạnh mẽ và hữu dụng hơn.

Akira Yoshino, Đại học Meijo, đã sử dụng cực âm do Goodenough phát triển để tạo ra pin Lithium-ion thương mại đầu tiên vào năm 1985, với cực dương trong pin gồm các ion Lithium và electron được đặt trong vật liệu carbon gọi là than cốc dầu mỏ. Điều này làm cho pin an toàn hơn nhiều so với những người sử dụng kim loại Lithium. Kết quả là một pin cứng, nhẹ có thể được sạc hàng trăm lần trước khi hiệu suất của nó bị giảm sút. Ưu điểm của pin Lithium-ion là chúng không dựa trên các phản ứng hóa học phá vỡ các điện cực mà dựa trên các ion Lithium chạy qua lại giữa cực dương và cực âm.

Pin Lithium-ion  lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991. Tùy thuộc vào kim loại chuyển tiếp được sử dụng trong Lithium-ion, pin có thể có công suất cao hơn nhưng lại phản ứng mạnh hơn và dễ bị hiện tượng thoát nhiệt. So với các dòng pin đời cũ, Lithium-ion ưu thế hơn nhờ sử dụng chất điện phân chứa đầy muối Lithium, có thể ích trữ được năng lượng rất lớn trong một diện tích rất nhỏ. Các công nghệ mới thường đòi hỏi pin nhỏ gọn hơn, dung lượng cao hơn, an toàn, có thể sạc lại

Cả thế giới “chạy” bằng…pin

Pin Lithium-ion  ra đời đã cách mạng hóa cuộc sống của con người kể từ khi chúng lần đầu tiên tham gia thị trường vào năm 1991. Thế hệ pin này đã đặt nền tảng cho sự phát triển của một xã hội không có nhiên liệu hóa thạch và thế giới công nghệ không dây với vô vàn những lợi ích. Pin Lithium-ion thực sự đã làm thay đổi thế giới. Chúng đã trở thành một phần quan trọng trong vô số thiết bị điện tử từ bình dân đến xa xỉ; từ chiếc điện thoại thông minh, đồ gia dụng, thiết bị đeo tay đến chiếc xe hơi, máy bay hay các thiết bị tinh vi trên tàu vũ trụ. Trong thế giới kết nối internet vạn vật (IoT), dường như cả thế giới đang được vận hành bởi Lithium-ion .

Lý do chính khiến pin Lithium-ion được sử dụng phổ biến là bởi mật độ năng lượng cao của nó. Một thỏi pin Lithium-ion  nhỏ có thể chứa rất nhiều năng lượng. Hơn nữa, pin Lithium-ion  mang lại thời gian sạc tốt hơn và chu kỳ sạc xả nhiều hơn trước khi hỏng. Một số nhà sản xuất thậm chí còn bảo hành pin cho tới 10.000 chu kỳ.  Khi pin Lithium-ion được sạc hoặc sử dụng, các ion sẽ lưu chuyển giữa các điện cực mà không phản ứng với môi trường xung quanh. Do vậy pin có tuổi thọ cao hơn, dung lượng lớn hơn và có thể được sạc hàng trăm lần trước khi hiệu suất của nó bị giảm sút, đã đưa đến việc thương mại hóa pin Lithium-ion rộng rãi trên thị trường.

Pin Lithium-ion đã đang và sẽ tiếp tục là công nghệ có thể định hình tương lai của nền kinh tế thế giới. Pin giờ đây còn quan trọng hơn cả dầu mỏ, trong tương lai, quốc gia nào làm chủ chuỗi cung ứng sản phầm này sẽ chiếm ưu thế trong việc nắm giữ vị trí số 1 thế giới trong nhiều lĩnh vực. Hơn 2/3 dân số thế giới đang dùng ít nhất một thiết bị di động, hoặc là điện thoại di động, laptop hay máy tính bảng, và gần như tất cả đều hoạt động bằng pin sạc Lithium-ion. Ngành công nghiệp pin Lithium-ion ngày nay đã phát triển rất mạnh trị giá 37,8 tỉ USD năm 2018 và kì vọng đạt hơn 94 tỉ USD vào năm 2024, thu hút hàng vạn người tham gia nghiên cứu. Ngày nay, pin Lithium-ion  đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới. Pin Lithium-ion đã được ứng dụng vào gần như mọi mặt trong cuộc sống hiện nay và là một phần không thể thiếu trong thời đại của công nghệ kỹ thuật số.

Với tính ưu việt mà không một loại pin nào có thể sánh kịp, pin Lithium-ion có thể lưu trữ hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Điều này mở ra một tương lai xán lạn là đến một ngày không xa, con người sẽ không dùng đến nhiên liệu hóa thạch, từ đó giảm phát thải khí nhà kính. Thực tế, là các quốc gia đang hướng đến những ứng dụng to lớn của thế hệ pin này. Chẳng hạn, Mỹ đã xây dựng một cơ sở trữ điện bằng pin Lithium-ion lớn nhất thế giới với 400.000 pin Lithium-ion có khả năng lưu trữ đủ điện cho khoảng 2.000 hộ gia đình sử dụng trong 4 giờ. Hay như các tập đoàn hàng không lớn đang chú ý đến việc phát triển những máy bay điện thay vì dùng nhiên liệu lỏng như hiện nay. Theo Quartz, thế hệ máy bay này gây tác động môi trường ít hơn máy bay hiện nay. Máy bay điện với tầm bay 1.000km mỗi lần sạc có thể được sử dụng cho một nửa số chuyến bay thương mại ngày nay, giảm lượng phát thải carbon toàn cầu khoảng 15%.

Thế hệ tương lai của pin

Những thiết bị càng tinh vi, đa tính năng, phân giải cao, trọng lượng nhỏ càng yêu cầu về thể tích và khối lượng pin nhỏ nhưng khả năng lưu trữ lại lớn. Chính vì thế các nhà sản xuất pin trên khắp thế giới biết rõ các yêu cầu của khách hàng và do đó, tập trung vào các tiêu chí: mật độ năng lượng cao, tuổi thọ, kích thước nhỏ và giá thấp. Tuy nhiên, giống như tất cả các loại pin, pin Lithium-ion cũng có những nhược điểm và giới hạn. Một thực tế không thể phủ nhận đó là pin Lithium-ion đã đạt đến giới hạn an toàn về mật độ năng lượng trong một diện tích cụ thể.

Trong thế giới IoT, điện thoại thông minh, nhà thông minh và thậm chí thiết bị đeo thông minh đang ngày càng phát triển với tốc độ chưa từng thấy thì chúng ta vẫn bị giới hạn bởi sức mạnh của nguồn cung năng lượng. Thực tế, công nghệ pin đã không có được những tiến bộ trong nhiều thập kỷ. Những năm qua, dù các hãng sản xuất điện thoại liên tục chạy đua giới thiệu nhiều tính năng hấp dẫn nhưng công nghệ pin vẫn không có sự thay đổi đột phá.

Mặc dù các thế hệ pin Lithium-ion cho thấy rất nhiều hứa hẹn nhưng vẫn còn một vài thiếu sót của loại pin này cần được giải quyết. Loại pin này được coi là không an toàn cho sử dụng cá nhân. Ngoài ra, giá cao của các loại pin này cũng có xu hướng làm cho các mặt hàng này khó mua cho thị trường thương mại. Mặc dù chip và hệ điều hành đang trở nên hiệu quả hơn để tiết kiệm năng lượng nhưng chiếc điện thoại thông minh vẫn phải vài chục tiếng cần phải sạc một lần. Bên cạnh đó, những dòng pin hiện nay không hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cao, hao nhanh và dễ bắt lửa.

 Các tập đoàn đa quốc gia, trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới luôn đầu tư nhiều tiền của và nhân lực để tiếp tục nghiên cứu nhằm cải thiện những thiếu sót của loại pin này để chứng minh một điều rằng, chúng vẫn là pin của tương lai. Bên cạnh đó, các nhà khoa học đang đi tìm công nghệ pin mới bởi họ nhận ra rằng công nghệ pin Lithium-ion đã bắt đầu đạt đến mức giới hạn. Những nghiên cứu ban đầu đã đem lại những kết quả lạc quan. Có lẽ chúng ta sắp chứng kiến ​​sự thay đổi thế hệ tiếp theo trong việc tạo và lưu trữ năng lượng nhờ vào khả năng cải tiến không ngừng.

Chẳng hạn như các nhà khoa học thuộc Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) đã phát triển loại pin mới, thế hệ tiếp theo của pin Lithium-ion. Theo đó, loại pin sạc cực nhanh  này có thể sạc lại tới 70% chỉ trong 2 phút. Pin thế hệ mới cũng có tuổi thọ dài hơn 20 năm, gấp hơn 10 lần so với pin Lithium-ion hiện có. Bước đột phá này có tác động trên phạm vi rộng đối với tất cả các ngành công nghiệp, đặc biệt là đối với xe điện khi thời gian sạc lâu và tuổi thọ pin hạn chế. Trong điện thoại di động, máy tính bảng và trong xe điện, pin Lithium-ion hiện nay có tuổi thọ thường kéo dài khoảng 500 chu kỳ sạc, tương đương với hai đến ba năm sử dụng. Bên cạnh đó, các nhà khoa học đã phát triển một loại tế bào nhiên liệu mới, cho phép chỉ một lần sạc là có thể sử dụng trong vòng một tuần. Công nghệ này kết hợp giữa thép không gỉ với lớp màng mỏng, hạn chế lượng nhiệt tỏa ra ở mức tối thiểu, giúp pin bền và có tuổi thọ cao hơn. Ngoài ra, SolidEnergy Systems - một công ty sản xuất thuộc Viện công nghệ MIT đã phát triển một loại pin Lithium trạng thái rắn thế hệ mới có mật độ năng lượng gấp đôi pin Lithium-ion hiện tại. Điều đó có nghĩa là pin của SolidEnergy Systems có kích thước bằng pin Lithium-ion tiêu chuẩn hiện nay nhưng năng lượng lại lớn gấp đôi. Điều đó có nghĩa là các thiết bị có thể hoạt động lâu gấp đôi. Ví dụ, hiện nay máy bay không người lái tiên tiến của Viking có cảm biến, máy ảnh và bộ xử lý với nguồn năng lượng dự trữ trong một khối pin nặng nề chỉ đủ giúp máy bay hoạt động trong 20 phút. Với pin mới của SolidEnergy, những chiếc máy bay không người lái này có thể bay trong hơn 40 phút.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Louvain (UCLouvain) mới đây đã phát hiện ra một vật liệu pin an toàn và hiệu suất cao mới (LTPS) có khả năng tăng tốc độ sạc và xả đến mức chưa từng thấy. Thực tế, nếu các thử nghiệm đầu tiên được xác nhận, vật liệu mới này có thể được sử dụng trong pin của tương lai với khả năng lưu trữ năng lượng tốt hơn, sạc và xả nhanh hơn, độ an toàn cao hơn nhắm vào nhiều mục đích sử dụng từ điện thoại thông minh, đến xe đạp điện và ô tô. Người đi đầu trong việc sản xuất định dạng pin mới cho xe điện chính là Tesla. Siêu nhà máy Gigafactory của công ty này được xem là nhà máy pin có công suất sản xuất lớn nhất thế giới.

Nhưng dù thế nào đi chăng nữa, pin Lithium-ion được biết đến như một loại pin kỳ diệu, lợi thế của nó vượt xa những thiếu sót, đó là lý do tại sao chúng được vẫn được gọi là tương lai của thế giới.