Những sáng kiến mang tính đột phá về pin trong năm 2021

10 xu hướng công nghệ hỗ trợ cho ngành năng lượng tái tạo năm 2022 Năm 2021 đang dần khép lại, hãng tư vấn khởi nghiệp Áo StartUs Insights (SUI) vừa công bố 10 xu hướng năng lượng tái tạo cho năm 2022. Theo SUI, đây là những xu hướng đã và đang phát triển, hỗ trợ đắc lực cho ngành năng lượng tái tạo trong năm 2022, cũng như tương lai gần.

Lưu trữ điện và công nghệ nâng cao hiệu suất nguồn năng lượng tái tạo Việt Nam Với cam kết mạnh mẽ của Thủ tướng Chính phủ Việt Nam tại Hội nghị COP26: “Việt Nam sẽ đưa phát thải khí nhà kính về “0” ròng vào năm 2050”, việc tăng tỷ lệ điện gió và mặt trời trong hệ thống nguồn điện cần được hết sức ưu tiên. Tuy là nguồn năng lượng sạch nhưng tính không ổn định của hai loại điện này đang gây khó khăn và làm tăng chi phí vận hành hệ thống điện Việt Nam. Việc ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng/điện trở nên cần thiết, quan trọng, cả hiện tại và trong tương lai. Hội thảo khoa học “Ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng và Công nghệ nâng cao hiệu suất cho các dự án năng lượng tái tạo của Việt Nam” vừa được Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam tổ chức tại Hà Nội. Hội thảo là cơ hội để các bên liên quan chia sẻ về nhu cầu, các thách thức và kinh nghiệm trong việc áp dụng các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) tại Việt Nam.

1. Tạo ra thế hệ pin sạc nhanh hơn:

Một trong những điểm nhấn mang tính đột phá liên quan đến pin năm 2021 là tạo ra công nghệ sạc nhanh hơn bằng cách sử dụng cấu trúc xốp cho cực dương. Điều này mang lại diện tích tiếp xúc lớn hơn với chất điện phân lỏng vận chuyển các ion lithium và cho phép chúng khuếch tán dễ dàng qua vật liệu, làm cho pin sạc nhanh hơn rất nhiều so với các thế hệ pin cũ.

Vào tháng 11/2021, Đại học Twente (ToU) Hà Lan đã phát triển thành công một cực dương từ vật liệu gọi là niken niobate. Phát minh này tạo ra một cấu trúc tinh thể "mở và đều đặn" với các kênh lặp đi lặp lại giống hệt nhau, làm cho nó trở nên lý tưởng cho việc vận chuyển ion. Hỗ trợ phát triển thành một tế bào pin đầy đủ, cung cấp tốc độ sạc cực nhanh hơn 10 lần so với pin lithium-ion hiện có. Đây là một cải tiến đáng kể đối với các vật liệu xốp được đề xuất cho đến nay trong lĩnh vực này, khắc phục sự cố cấu trúc bị kẹt trong quá trình sạc khiến pin nhanh bị hỏng. Là một chất tạo ngọt, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng niken niobate có mật độ thể tích cao hơn so với than chì được sử dụng cho các cực dương của pin hiện có, điều này cũng có thể dẫn đến các loại pin thương mại nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn rất nhiều so với pin truyền thống.

2. Hồi sinh pin lithium “đã chết”:

Việc kích hoạt lại các hòn đảo hay các hạt chứa lithium "đã chết" có thể thúc đẩy phạm vi hoạt động của các loại xe điện và mang lại tuổi thọ pin lâu hơn. Khi pin chạy theo chu kỳ, các ion lithium di chuyển qua lại giữa hai điện cực, nhưng không phải lúc nào cũng suôn sẻ đúng quy trình. Điều này khiến các "hòn đảo" lithium không hoạt động về mặt điện hóa, gây ngắt kết nối với các điện cực. Với những cản trở này gây ra sự suy giảm khả năng lưu trữ của thiết bị hoặc thậm chí khiến thiết bị cháy nổ.

Trong một sáng kiến thú vị được công bố vào tuần cuối cùng của năm 2021, nhóm đề tài ở Đại học Stanford (SU) Mỹ đã tìm ra cách không chỉ vô hiệu hóa những khối lithium chết có hại này mà còn giúp chúng hoạt động trở lại nên tăng hiệu suất của pin. Các nhà khoa học phát hiện thấy, bằng cách thêm một điện áp cao trong quá trình sạc đã thúc đẩy lithium bất hoạt này hoạt động trở lại, khiến chúng bò trườn "như một con sâu" và kết nối lại với điện cực, làm tăng tuổi thọ của pin lên tới 30%.

Theo nhóm đề tài, bước đột phá này có thể dẫn đến những thiết kế cải tiến mới cho pin sạc nhanh hoặc pin sạc có dung lượng và tuổi thọ lớn hơn. Điều thú vị là giải quyết các đảo lithium chết, một sự cố nan giải thường gặp đối với pin lithium-metal thế hệ tiếp theo, có khả năng chứa năng lượng gấp 10 lần.

3. Pin có kiểu dáng giống như bánh BLT:

Các nhà nghiên cứu tại ĐH Harvard (UoH) Mỹ ví thiết kế pin của họ giống như một chiếc bánh sandwich BLT. BLT là chữ viết tắt của các thành phần chính của nó, gồm thịt xông khói (bacon), rau diếp (lettuce) và cà chua (tomato). Một chiếc bánh Sandwich với các nguyên liệu tươi ngon đi kèm, lại cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng và năng lượng thì quả là phù hợp cho bữa sáng cho chúng ta. Tương tự, đối với pin, các nhà khoa học nhìn thấy rất nhiều tiềm năng trong pin kim loại lithium, bởi pin kim loại lithium có công suất và mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với than chì và đồng được sử dụng cho các cực dương trong pin ngày nay.

Hồi tháng 5, GS vật liệu Xin Li cùng các cộng sự ở UoH đã trình làng một loại pin kiểu bánh BTL mới có thể khắc phục một số vấn đề về độ ổn định đối với các thiết kế kim loại lithium.

Các vấn đề về độ ổn định bắt nguồn từ các phần nhô ra giống như kim được gọi là đuôi gai hình thành trên cực dương của pin kim loại lithium trong quá trình sạc, khiến hiệu suất của pin giảm, thậm chí còn gây hỏng, bốc cháy. Để khắc phục, nhóm đề tài đã hoán đổi chất điện phân lỏng của pin cho một cặp chất rắn, được xếp với nhau trong một chiếc bánh sandwich BLT giúp kiểm soát và chứa các đuôi gai một cách an toàn khi chúng được hình thành. Chưa hết, pin kiểu bánh sandwich có thể lấp đầy những khoảng trống do đuôi gai tạo ra.

Trong thử nghiệm, nhóm đề tài nhận thấy nó vẫn giữ được 82% công suất sau 10.000 chu kỳ và chứng minh được có mật độ dòng điện cao cho phép xe điện chỉ cần sạc trong vòng 20 phút.

4. Chất điện phân pin mới từ thiên nhiên?

Vào tháng 10/2021, các nhà khoa học ở Đại học Brown và Maryland (Mỹ) đã tìm ra một giải pháp thú vị cho các vấn đề ổn định liên quan đến pin kim loại lithium. Sử dụng các sợi nano xenlulo được tìm thấy trong gỗ làm cơ sở cho một chất điện phân pin mới. Thực chất nghiên cứu này là xoay quanh khái niệm sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất lỏng để mang điện, đó là sợi nano xenlulo có nguồn gốc từ gỗ làm điểm khởi đầu.

Những ống polymer siêu nhỏ này được kết hợp với đồng để tạo thành một chất dẫn ion rắn, có các lỗ nhỏ ở giữa các chuỗi polymer hoạt động như "siêu xa lộ ion", cho phép các ion lithium di chuyển với hiệu suất kỷ lục. Điều này đồng nghĩa, vật liệu có độ dẫn điện lớn hơn từ 10 đến 100 lần so với các chất dẫn ion polyme khác. Các nhà nghiên cứu cũng cho biết, do vật liệu này mỏng như giấy và linh hoạt, nên chất điện phân có thể chịu được áp lực của chu trình và môi trường tốt hơn so với pin truyền thống.

5. Thay đổi thiết kế mới cho pin lithium-ion:

Pin kim loại kiềm-clo đã xuất hiện từ những năm 1970 và cung cấp mật độ năng lượng cao, nhưng clo phản ứng cao có nghĩa là chúng chỉ tồn tại cho một lần sử dụng. Nhưng hồi tháng 8/2021, nhóm các nhà khoa học ở Đại học Stanford đã tìm ra cách để ổn định các phản ứng này giúp pin sạc lại có mật độ cao hơn, nguyên mẫu dựa trên clo có dung lượng cao gấp sáu lần so với pin lithium-ion hiện có.

Giải pháp bao gồm, dùng một vật liệu điện cực mới làm bằng carbon xốp có tác dụng làm xốp các phân tử clo thất thường và chuyển đổi chúng trở lại thành natri clorua một cách an toàn, dạng nguyên thủy của chúng trước khi phóng điện. Chu kỳ này có thể được lặp lại tới 200 lần trong một pin thử nghiệm có mật độ gấp khoảng sáu lần so với công nghệ lithium-ion truyền thống hiện có.

6. Càng đơn giản càng đẹp, càng hiệu quả:

Các nhà khoa học Mỹ đã phát triển một loại pin kim loại lithium mới có thể giữ nguyên chức năng của nó trong hơn 600 chu kỳ. Đây là nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ công bố hồi tháng 6/2021. Nhóm nghiên cứu đã tập trung vào cái được gọi là interphase chất điện phân rắn (SEI), là một màng mỏng ở phía trên cực dương, đóng vai trò canh gác quan trọng bằng cách kiểm soát những phân tử nào đi vào từ chất điện phân trong quá trình tuần hoàn quay vòng.

Thực chất là tạo ra điện cực siêu mỏng giúp dẫn điện tốt hơn, đây là các dải lithium rất mỏng, rộng chừng 20 micron, mỏng hơn nhiều sợi tóc người hay giao diện chất điện phân rắn - một màng mỏng trên cực dương kiểm soát sự xâm nhập của các phân tử vào chất điện phân. Nó tương tác tốt hơn với chất điện phân so với các cực dương dày hơn, ngăn chặn các phản ứng điện hóa. Các phản ứng phức tạp xảy ra xung quanh cực dương và ảnh hưởng đến hiệu suất của SEI trong các thiết kế hiện tại. Chúng được sử dụng làm cơ sở cho cực dương có SEI tương tác lành mạnh hơn với chất điện phân so với cực dương có dải dày hơn làm cản trở các phản ứng điện hóa quan trọng. Pin di động dạng túi nguyên mẫu từ nghiên cứu có cực dương này giữ lại 76% dung lượng trong 600 chu kỳ, với mật độ năng lượng 350 Wh/kg. Để tham khảo, loại pin lithium-ion tốt nhất hiện nay chỉ có mật độ từ 250 đến 300 Wh/kg.

7. Sử dụng chất điện phân bán rắn thay cho chất lỏng:

Hồi tháng 3/2021, nhóm các nhà khoa học Mỹ đến từ Viện công nghệ MIT, Đại học Texas A&M, Đại học Brown và Đại học Carnegie Mellon đã trình làng một loại pin khác thường dựa trên điện cực "bán rắn" làm bằng hợp kim natri-kali. Nó giống với các vật liệu dùng để trám răng hay lấp đầy khoảng rỗng - lúc đầu ở dạng lỏng và dẻo, sau đó chúng cứng lại.

Khi một vật liệu dễ uốn mới tiếp xúc với một chất điện phân cứng nhưng giòn, nó sẽ ngăn ngừa nứt và lấp đầy các khu vực bị hư hỏng. Vật liệu tự phục hồi này đã ngăn chặn sự hình thành các đuôi gai làm hỏng và cũng cho phép mật độ dòng điện cao hơn nhiều so với các loại pin thể rắn khác đã cho phép, đồng thời cung cấp mật độ dòng điện gấp 20 lần so với các loại pin thể rắn khác, khiến tốc độ sạc của pin nhanh hơn./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM (THEO: NEWATLAS - 12/2021)

Link tham khảo:

1/ https://newatlas.com/energy/best-battery-energy-breakthroughs-2021/