Natri, Nhôm, Ma-giê, Florua ... và những vật liệu hứa hẹn thay thế Lithium trong pin Li-ion

Lithium-ion) là công nghệ pin đang được sử dụng phổ biến trên hầu hết các thiết bị di động có thể sạc lại pin như điện thoại, máy tính xách tay, đồng hồ thông minh … cho đến phương tiện chạy điện. Dù sở hữu nhiều ưu điểm như chi phí sản xuất thấp, lưu trữ được nhiều năng lượng, sạc xả được nhiều lần nhưng pin Li-ion có nguy cơ cháy nổ cao cũng như gây lo ngại ô nhiễm môi trường, chủ yếu đến từ hoạt động hóa chất dùng chế tạo pin. Vì vậy, các chuyên gia đầu ngành vẫn đang tìm kiếm vật liệu thay thế khiến pin an toàn hơn, hiệu suất cao hơn, chi phí rẻ hơn.

​

Về cơ bản mọi cục pin hóa học đều được chế tạo bằng các thành phần cơ bản gồm 2 điện cực và chất điện phân.Trong một cục pin Li-ion thì cực dương được làm bằng các hợp chất chứa Lithium (Li ) thông thường là Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2) hay Lithium Sắt Phosphate (LiFePO4) còn cực âm thường được làm bằng than chì (Graphite). Chất điện phân thì đủ loại tùy vào loại pin, chẳng hạn như pin Li-Po (Lithium-Ion Polymer) dùng chất điện phân polymer dẻo thay vì lỏng như Li-ion thông thường. Lớp điện phần này giống như các tấm nhựa dẻo mỏng đặt giữa cực dương và âm nên pin Li-Po có ưu điểm lớn là dễ thiết kế mỏng, uốn cong được và nhỏ gọn dùng trên nhiều loại thiết bị cỡ nhỏ.

Vậy pin Lithium-ion hoạt động như thế nào?

Li có 1 electron tại lớp ngoài cùng và nó có xu hướng cho đi electron này, vì đặc tính này nên Lithium là một kim loại hoạt hóa cao, thả vào nước phản ứng ngay hay thậm chí trong không khí. Và để Lithium ổn định hơn thì trong pin Lithium người ta dùng các loại oxit của Lithium như đã nói ở trên là LiCoO2 hay LiFeO4. Trong cell pin Lithium người ta dùng một chất điện phân có chức năng chỉ cho ion Li đi qua và ngăn electron. Khi pin được sạc, điện áp khiến các electron của Lithium tách khỏi cực dương, đi qua mạch điện ngoài về cực âm trong khi các ion Li đi qua chất điện phân về cực âm. Cực âm được làm bằng than chì với cấu trúc đa lớp, liên kết hóa học khá lỏng lẻo nên Li và electron có thể dễ dàng bám vào và lưu lại. Khi các ion Li và electron bám hết vào cực âm thì pin đã được sạc đầy, phần còn lại của cực dương là cấu trúc oxit và việc thiếu ion Li khiến cấu trúc bất ổn định.

Khi xả, chẳng hạn như anh em lấy 1 cái bóng đèn đấu dây vào 2 đầu pin cho dễ hình dung thì ion Li muốn trở lại trạng thái ổn định ban đầu. Vậy là ion Li di chuyển từ cực âm trở về cực dương thông qua chất điện phân và để cân bằng điện tích thì các electron cũng di chuyển theo nhưng thay vì qua chất điện phân, chúng đi qua dây điện, làm sáng cái bóng đèn và về lại cực dương. Thực tế giữa 2 điện cực của pin còn có một lớp màng phân tách (separator) để tránh tình huống chất điện phân bị khô đi, màng ngăn này sẽ không cho electron đi xuyên qua từ đó tránh tình trạng đoản mạch gây cháy nổ pin.

​

Pin Li-ion có thể sạc xả nhiều lần mà ít bị hao mòn cũng như có mật độ năng lượng cao tuy nhiên khi nóng lên, các thành phần bên trong pin Li-ion bị giãn nở nhiều hơn so với các công nghệ pin khác. Do pin Li-ion luôn được đóng kín thành ra nó phải chịu áp lực giãn nở. Thử nhìn lại vụ lùm xùm nổ pin của Galaxy Note 7, Samsung đã cố gắng thiết kế pin mỏng cho chiếc máy này trong khi tăng mật độ năng lượng. Hậu quả là các điện cực và lớp cách ly bên trong không có đủ khoảng trống an toàn. Mỗi lần sạc, pin giãn nở một chút và các điện cực bên trong bị cong gây đoản mạch do tiếp xúc với nhau. Ngoài ra pin Li-ion còn có thể cháy nổ vì tác động bên ngoài, chẳng hạn như tiếp xúc gần với nguồn nhiệt, va đập do rơi vỡ vật lý làm hỏng các màng phân tách, thiết bị sạc không chất lượng khiến pin bị sạc quá tải …

Một nhược điểm nữa của pin Li-ion đó là ô nhiễm môi trường. Như đã đề cập ở trên, pin Li-ion được xem là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, được dùng cho mọi thứ từ điện thoại đến xe điện nhưng việc khai thác hóa chất như Lithium và than chì khiến pin Li-ion không còn thân thiện với môi trường nữa. Trước sự bùng nổ của các loại phương tiện chạy điện thì các dự án nghiên cứu của Cairn Energy Research Advisors cho rằng ngành công nghiệp Lithium sẽ tăng trưởng gần gấp 8 lần trong thập niên tới và giá của loại vật liệu này cũng đã tăng gấp đôi từ 2016 đến 2018.

Quang cảnh tại một mỏ khai thác than chì làm pin Li-ion tại Trung Quốc. (Ảnh từ phóng sự của Washington Post)
​

Hoạt động khai thác các hóa chất như Lithium, than chì cũng như các khoáng vật phục vụ cho hoạt động sản xuất pin Li-ion đang gây ô nhiễm nguồn nước, không khí và đất. Vì vậy bản thân pin Li-ion đang gây ra các nguy cơ về môi trường thật sự. Trình trạng này chỉ có thể được cải thiện nếu thay đổi công nghệ. Dưới đây là một vài giải pháp thay thế tiềm năng cho các hợp chất đang được dùng trong pin Li-ion:

Natri (Sodium)

Sơ đồ pin Natri của đại học Purdue trong nghiên cứu năm 2015.
​

Natri rất dồi dào trong nước biển, gần như là nguồn tài nguyên vô tận và không đòi hỏi nhiều khâu khai thác và trích xuất. Vấn đề ở đây là bạn không chỉ đơn giản là thay Lithium bằng Natri được. Natri có kích thước ion lớn hơn so với Lithium do đó nó không thể nằm lọt giữa các lớp trong mạng carbon của cực âm vốn được làm bằng than chì. Ngoài ra Natri còn có mật độ năng lượng thấp hơn so với Lithium. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu tại đại học Birmingham đã giải quyết được vấn đề này bằng cách thay Phốt pho (Phosphorous) cho than chì ở cực âm và khả năng mang các hạt tích điện cũng gấp 7 lần than chì với cùng khối lượng.

Florua (Fluoride)

​

Pin Florua có độ bền gấp 8 lần so với pin Lithium nhưng nói thì dễ, làm mới khó bởi Florua là một anion (F-) - một ion mang điện tích âm, mang lại mật độ năng lượng lớn nhưng điện tích âm cũng là lý do khiến nó phản ứng và khó ổn định. Hồi tháng 12 năm ngoái, một nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Caltech, JPL, phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và viện nghiên cứu Honda đã tạo ra một chất điện phân lỏng có tên bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE) và nó đã có thể ổn định Florua và khiến Florua hoạt động bình thường ở nhiệt độ phòng.

• Honda phát triển thành công loại pin lưu trữ năng lượng nhiều gấp 10 lần so với hiện tại

Ma-giê (Magnesium)

​

Ma-giê không chỉ phổ biến hơn Lithium mà nó còn không gây ra dendrit - sợi dẫn điện mỏng hình thành bên trong pin Lithium khiến cell pin giảm tuổi thọ và gây đoản mạch, cháy nổ pin. Trong nhiều thập niên qua thì pin Ma-giê vẫn chưa thể so bì với pin Lithium về mặt công suất và khả năng lưu trữ năng lượng. Nhưng cuối năm ngoái, các nhà nghiên cứu đến từ đại học Houston và viện nghiên cứu của Toyota đã phát hiện ra Clorua (Chloride) - hóa chất thường được dùng làm chất điện phân trong pin Ma-giê là nguyên nhân ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Họ thay thế bằng một loại chất điện phân không Clorua, cực âm làm bằng polymer hữu cơ và cực dương gốc Ma-giê vậy là họ có được một cục pin với mật độ năng lượng, công suất và độ ổn định chưa từng có trên pin Ma-giê xưa nay.

Nhôm (Aluminum)

Pin nhôm được xem là an toàn hơn, thân thiện với môi trường hơn so với pin Li-ion với cực dương bằng nhôm và cực âm bằng than chì. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm biến pin nhôm thành một giải pháp thay thế hoàn hảo cho pin Lithium, chẳng hạn như các nhà khoa học tại đại học Victoria, Wellington và trường hóa học quốc gia Clermont-Ferrand, Pháp đã tìm ra một chất điện phân mới được xem là chìa khóa giúp pin nhôm có thể dễ dàng chế tạo, giá thành thấp và hiệu năng tốt hơn so với pin Lithium.

​

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich và Empa, Thụy Sĩ đã sử dụng titanium nitride - một vật liệu gốm có đặc tính dẫn cao làm lớp dẫn bao bọc bên ngoài cực dương bằng nhôm từ đó chống sự ăn mòn của các chất điện phân trong thời gian dài. Còn để thay thế cho than chì với vai trò là chất trung gian lưu trữ năng lượng ở cực âm, các nhà nghiên cứu tại Thụy Sĩ tìm ra một vật liệu mới gốc hydrocarbon là polypyrene. Polypyrene có cấu trúc dạng chuỗi với không gian lớn giữa các chuỗi phân tử từ đó có thể chứa rất nhiều ion.

• Đại học Stanford thử nghiệm pin nhôm: giá rẻ, không cháy, sạc đầy trong vòng một phút

Molypden (Molybdenum)

​

Dù không thay thế hoàn toàn cho Lithium nhưng các nhà nghiên cứu tại đại học Texas đã tìm cách khiến pin Lithium hoạt động hiệu quả và an toàn hơn đối với môi trường. Theo họ thì pin Lithium-lưu huỳnh (pin Li-S) có giá thành rẻ hơn, nhẹ và mật độ lưu trữ năng lượng gấp đôi so với pin Lithium-ion truyền thống nhưng lưu huỳnh lại dẫn điện kém, điện cực bằng lưu huỳnh dễ hỏng trong quá trình sạc. Từ đây, họ tìm cách gia cường lưu huỳnh bằng cách thêm Molypden vào lưu huỳnh, kết quả là điện cực lưu huỳnh trở nên dẫn điện tốt hơn và ổn định hơn.

• Phòng thí nghiệm PNNL dùng graphite để tăng tuổi thọ pin Li-S lên 4 lần
• Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley cải tiến pin Li-S, tiềm năng soán ngôi pin Li-ion
• Đại học Arizona phát triển polymer từ lưu huỳnh, hướng đến thế hệ pin Li-S

Sulfua (Sulfide)

​

Các nhà nghiên cứu tại đại học Central Florida đang tìm cách phát triển pin dùng điện cực sulfua thay cho than chì trong pin Lithium. Cực âm của loại pin này được làm bằng hợp kim Niken sulfua (nickel sulfide - NiS) và sắt sulfua (iron sulfide - FeS2), kết hợp đặc tính của cả 2 thì điện cực có tính dẫn tốt hơn, ổn định ở nhiệt độ cao và chi phí chế tạo thấp. Kết hợp với Lithium thì pin sẽ có thể bền hơn rất nhiều lần, cụ thể là chu kỳ sạc xả có thể lên đến trên 1000 lần mà không bị hao mòn.

Theo: Curiosity; Interesting Engineering​