Không phải lithi mà là natri mới là tương lai của pin

Một đột phá đã xuất hiện: các nguyên mẫu hiệu suất cao và những đột phá trong nghiên cứu cơ bản cho thấy, không lâu nữa các ion-natri trong pin sẽ là một giải pháp giúp tiết kiệm nguyên liệu hơn và tạo ra những sản phẩm giá thành rẻ hơn.

Mặc dù ô tô điện, xe tải điện và xe đạp điện đang trên thế thượng phong nhưng do giá cả đắt đỏ, phiền toái khi nạp điện và tốn kém tài nguyên nên việc sản xuất pin gặp nhiều khó khăn. Đây là lý do khiến các loại xe điện không nhanh chóng tạo ra được một bước ngoặt trên thế giới.

Do đó, để có thể phát triển, sử dụng động cơ điện trên diện rộng thì pin phải có hiệu suất cao hơn, tuổi thọ dài hơn, bền vững hơn và giá thành thấp hơn.

Dùng natri thay vì lithi

Giải pháp có thể là dùng pin có natri-ion, trong thời gian gần đây đã có tiến bộ đáng ngạc nhiên trong việc phát triển loại pin này, hứa hẹn vào khả năng trong thời gian tới, pin natri –ion có thể thay thế loại pin lithi-ion trong các loại ô tô điện và cả trong điện thoại thông minh cũng như máy tính xách tay.

Dù hai kim loại kiềm lithi và natri rất giống nhau về mặt hóa học nhưng mật độ năng lượng ở natri thấp hơn so với lithiu. Bù lại, natri có ở mọi nơi việc khai thác do đó cũng rẻ hơn. 

Sự đột phá

Trong hàng chục năm qua, người ta chỉ tập trung nghiên cứu đối với lithiu vì nó có hiệu suất cao hơn. Hiện không những đã có những công trình nghiên cứu khoa học mang tính định hướng đã được công bố mà đã có nhiều nguyên mẫu đầy triển vọng: theo một công bố hồi tháng 5.2020 một pin – natri của Hàn Quốc hoạt động liên tục khoảng 500 chu kỳ sạc đầy sau đó công suất giảm xuống còn 80%. Một loại pin khác của Trung Quốc có cầu trúc hơi khác, sản phẩm của một nhóm nghiên cứu Mỹ – Trung cũng có kết quả tương tự sau 450 chu trình sạc đầy. Một pin natri-ion tuy có dung lượng thấp hơn một chút tuy nhiên sau 1200 chu trình với thời gian nạp nhanh chỉ 12 phút vẫn còn 70% dung lượng.

Nghe thì có vẻ không được bao nhiêu nhưng trong thực tế thì những loại pin này có thể trải qua nhiều chu kỳ hơn nhiều vì thông thường pin chỉ được xả và nạp một phần. Việc nạp đầy và xả kiệt trong thí nghiệm đối với pin gây khó hơn nhiều cho chúng.

Cho đến nay người ta vẫn sử dụng công nghệ lithi-ion, vừa khan hiếm vừa đắt.

Ngoài ra công nghệ natri-ion không sử dụng nguồn tài nguyên khan hiếm: để sản xuất cathod không cần dùng muối lithiu khan hiếm, thay vào đó có thể dùng muối ăn có ở khắp nơi. Anode hiệu xuất cao có thể tạo ra từ than nâu, gỗ và các loại sinh khối. Công nghệ này không cần dùng cobalt hay các loại tài nguyên khan hiếm khác.

Nghiên cứu cơ bản mang tính đột phá?

Natri có hai điều bất lợi: nó nặng gấp ba lần lithi và do đó loại pin natri-ion cũng nặng hơn, cho dù lithi chỉ chiếm không đến 5% tổng trọng lượng của bình pin.

Ngoài ra pin natri không mạnh bằng vì chúng mất mật độ năng lượng khoảng 10% do điện áp tế bào thấp hơn 0,3 volt. Nhất là cực dương bằng than chì của pin cho đến nay vẫn chưa hấp thụ được đủ natri, điều này có thể được khắc phục bằng carbon ở kích thước nano. Điều này được chứng minh bởi một nghiên cứu của một nhóm hợp tác Đức-Nga do Trung tâm Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR) dẫn dắt. Theo đó, các lớp kép làm bằng graphene, làm từ những lớp carbon rất mỏng chúng có thể tích tụ nhiều nguyên tử natri hơn đáng kể ở cực dương so với loại graphite được sử dụng trước đây.

Điều đó có nghĩa là, nếu trong tương lai người ta thay thế cực dương bằng graphite hiện nay bằng cực dương graphene lắp trong pin lithi thì có thể tăng đáng kể khả năng lưu trữ. “Đại để nó giống như người ta cho những bong bóng tí xíu vào giữa hai tờ giấy”, tiến sỹ vật lý Arkady Krasheninniko thuộcHZDR giải thích. “Càng tuồn nhiều bóng vào thì giấy phình to ra từ đó tạo thêm chỗ chứa trong túi giấy.”

Một bước nhẩy vọt mới đối với pin natri-ion ?

Nếu  bộ lưu trữ nhiều lớp đối với lithi hoạt động được thì liệu các kim loại kiềm khác  như natri có hoạt động được không? Nhóm hợp tác ở Dresden, Stuttgart và Moscow muốn trả lời câu hỏi này bằng các mô phỏng siêu máy tính cực kỳ phức tạp. Bởi vì cho đến nay các nguyên mẫu của pin natri-ion hoạt động không được tốt vì natri chỉ miễn cưỡng đi vào các cực dương graphite.

Theo tính toán trên máy tính thì cả natri cũng như lithi không những chỉ có thể lưu trữ một lớp mà nhiều lớp chồng lên nhau giữa những lá graphite.

Nếu người ta thay cực dương graphite đang được dùng phổ biến hiện nay bằng cực dương graphene để lắp trong pin natri-ion, thì nhiều khi có thể làm tăng đáng kể dung lượng lưu trữ.

Đối với sự phát triển cực dương trong tương lai dành cho pin natri giá rẻ thì kết quả nghiên cứu này có thể tạo bước đột phá.

Krasheninnikov nhấn mạnh: “Công việc của chúng tôi mang tính chất lý thuyết thuần túy và chúng tôi không khẳng định rằng một thế hệ pin mới sẽ được phát triển dựa trên kết quả của chúng tôi trong tương lai gần. Nhưng có thể những kết quả của chúng tôi sẽ gợi mở cho các kỹ sư những ý tưởng mới, thú vị”.

Pin trong tương lai

May mắn thay, pin natri-ion không chỉ còn là một khái niệm lý thuyết. Sự đột phá về công nghệ sát với thực tế dường như sắp diễn ra. Các kết quả nghiên cứu gần đây nhất cho thấy đã có những lựa chọn thay thế với giá cả phải chăng và tiết kiệm tài nguyên thay cho pin lithi-ion đắt tiền và hiệu suất có thể tăng lên đáng kể nhờ nhiều bộ lưu trữ.

Chắc chắn sẽ còn mất một thời gian nữa trước khi pin natri-ion hoàn thiện về mặt kỹ thuật, có thể sản xuất với số lượng lớn để lắp đặt trong các loại ô tô điện hoặc điện thoại di động. Việc chuyển đổi sản xuất từ pin lithi sang natri-ion về cơ bản không có vấn đề gì do công nghệ tương đối giống nhau.

Xuân Hoài tổng hợp

Nguồn: https://www.dw.com/de/natrium-statt-lithium-die-akkus-der-zukunft/a-54512116

https://www.process.vogel.de/batterien-der-zukunft-natrium-statt-lithium-a-823026/