Thỉnh thoảng, một sự phát triển mới và hấp dẫn xuất hiện, hứa hẹn sẽ cách mạng hóa cách chúng ta lưu trữ và tiêu thụ năng lượng.
Khó có cơ hội trong "đế chế Lithium"
Pin lithium-ion (Li-ion) được phát triển vào những năm 1970–1980, trong bối cảnh khủng hoảng dầu mỏ buộc thế giới phải tìm kiếm các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn. Về bản chất, một viên pin gồm hai điện cực (cực âm và cực dương) cùng chất điện giải ở giữa; khi sạc-xả, các ion lithium di chuyển qua lại giữa hai cực này để tạo ra dòng điện mà chúng ta đang dùng trong điện thoại và xe điện ngày nay.
Những bước đột phá then chốt đến từ M. Stanley Whittingham với việc sử dụng titan disulfide làm vật liệu điện cực ban đầu; John B. Goodenough với phát hiện vật liệu coban oxit giúp tăng mạnh điện áp và hiệu suất; Akira Yoshino với phát triển cực dương từ carbon (than cốc dầu mỏ), giúp pin trở nên ổn định, an toàn và có thể sạc lại nhiều lần, tức là đủ điều kiện để thương mại hóa. Phát minh của ba nhà khoa học này đã được trao giải Nobel 2019.
Từ đó đến nay, pin Lithium gần như trở thành "tiêu chuẩn vàng" của lưu trữ năng lượng. Thế giới đã đầu tư hàng ngàn tỷ đô la để nghiên cứu và phát triển sản xuất pin Lithium trong hơn nửa thế kỷ, hoàn thiện đến mức hầu như không còn chỗ nào cho những người mới bước vào lĩnh vực này nữa. Có thể nói mọi ưu và nhược điểm của loại pin sạc này đã được giới nghiên cứu và công nghệ nắm bắt hết.
Dù là pin lithium hay bất kỳ loại pin sạc nào khác, cấu trúc cốt lõi vẫn xoay quanh ba trụ cột: anode (cực âm), cathode (cực dương) và chất điện giải. Minh họa: Shutter
Bạn biết đấy, dù là pin lithium hay bất kỳ loại pin sạc nào khác, cấu trúc cốt lõi vẫn xoay quanh ba trụ cột: anode (cực âm), cathode (cực dương) và chất điện giải - nơi các ion di chuyển qua lại để tạo ra dòng điện. Chính vì cùng chung "bộ khung" này, nên mọi đột phá thực sự trong công nghệ pin thường không nằm ở việc thay đổi cấu trúc, mà ở việc thay vật liệu hoặc thay loại ion mang điện tích.
Từ hơn hai chục năm nay, người ta dựa trên nguyên lý và cấu trúc của Pin Lithium để tìm các phương án thay thế, điển hình là thay Ion lithium bằng Sodium (Na). Nhánh tìm kiếm này đang phát triển, tuy nhiên nó chỉ có ý nghĩa thay nguyên tố cùng họ, to hơn nặng hơn, rẻ, an toàn hơn, nhưng không có tính cách mạng về bản chất vật lý, nên khó để lật đổ "đế chế Lithium". Không dễ để những "tay mơ" đến từ ngành vật lý ở các nước đang phát triển như Việt Nam tìm kiếm được gì mới mẻ trong nhánh Sodium này. Vậy chẳng lẽ không còn đất cho chúng ta tham gia vào R&D lĩnh vực lưu trữ đang có tương lai rộng mở, thị trường nhiều tỷ đô la này?
Cơ hội trong cuộc cách mạng mới của ngành pin
Thật may mắn, có một hướng đi mới hứa hẹn lớn, đang hình thành và chúng ta có thể đặt chân vào ngay, và nếu nghiêm túc thì chắc chắn gặt hái được kết quả, đó là pin ion nhôm (Aluminium Ion Battery - AIB).
Pin ion nhôm là một loại pin sạc trong đó các ion nhôm đóng vai trò là chất mang điện tích. Nhôm có thể trao đổi ba electron trên mỗi ion (so với một electron của lithium). Điều này có nghĩa là việc chèn một ion Al3+ tương đương với ba ion Li+. Nhờ đó, về mặt lý thuyết, mật độ năng lượng và khả năng tích trữ điện tích của hệ này vượt trội đáng kể. Ngoài ra, bán kính ion của Al3+ (0,54 Å) và Li+ (0,76 Å) tương tự nhau, nên cực âm có thể tiếp nhận số lượng electron và ion Al3+ cao hơn đáng kể mà ít bị hư hại. Al có mật độ năng lượng gấp 50 lần (23,5 megawatt-giờ m-3) so với pin ion Li và thậm chí còn cao hơn cả than đá.
Minh họa: Shutter
Tuy nhiên, chính tính chất mang điện tích hóa trị ba vừa là ưu điểm vừa là nhược điểm của loại pin này. Trong khi việc truyền 3 đơn vị điện tích bằng một ion làm tăng đáng kể dung lượng lưu trữ năng lượng, thì sự xen kẽ tĩnh điện của các điện cực với cation hóa trị ba lại quá mạnh đối với hành vi điện hóa được xác định rõ ràng, làm ảnh hưởng đến độ ổn định chu kỳ. Trên thực tế, dung lượng khả dụng hiện nay vẫn thấp hơn nhiều so với giá trị lý thuyết, do các cơ chế phản ứng trung gian (phản ứng oxy hóa khử phức tạp hơn và liên quan đến các chất phản ứng khác như AlCl₄⁻).
Dù vậy, pin sạc dựa trên nhôm vẫn có lợi thế đáng chú ý khi chi phí vật liệu thấp, an toàn cao (ít nguy cơ cháy nổ), cùng với dung lượng cao. Tính trơ và dễ xử lý của nhôm trong môi trường xung quanh mang lại những cải tiến về an toàn so với pin Lithium. Pin ion nhôm có thể nhỏ hơn và cũng có thể có nhiều chu kỳ sạc-xả hơn. Do đó, pin ion nhôm có tiềm năng thay thế pin Lithium. Pin ion nhôm thay thế pin Lithium thực sự là cách mạng về bản chất.
Về lịch sử phát triển, pin nhôm sạc lại xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1972 (cùng thời với Lithium). Vì không tìm được chất điện phân lỏng thích hợp, còn chất dẫn ion nhôm rắn thì chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao, nên người ta cho rằng loại pin này không thực tế. Mãi đến năm 2015 thì mẫu thí nghiệm pin Al/graphite ổn định ở nhiệt độ phòng mới được phát triển, nghĩa là mới chứng minh được bằng thực nghiệm.
Điều đó có nghĩa là pin ion nhôm vẫn đang ở giai đoạn rất sớm - một "vùng trắng" hiếm hoi trong khoa học vật liệu năng lượng. Một số tập đoàn công nghệ lớn, gồm cả Tesla của Elon Musk đã ngấm ngầm nghiên cứu chế tạo loại tiềm năng này và có lẽ sắp thành công. Hãy chờ xem!
Dù gì đi nữa thì cánh cửa mới đầy triển vọng đang mở ra cho những nền khoa học còn non trẻ như Việt Nam đang chập chững bước vào lĩnh vực trái tim của khoa học năng lượng: Lưu trữ năng lượng.
Tôi tin rằng các nhà nghiên cứu trẻ của Việt Nam hoàn toàn có cơ hội trong lĩnh vực này, và nếu tham gia có lẽ cần đặt mục tiêu theo đuổi 5 -10 năm sẽ có thành quả.
Nếu các bạn trẻ có ý định R&D về pin ion nhôm thì tôi xin giới thiệu hai bài nên đọc:
1. Chi tiết về thiết kế chế tạo pin ion nhôm:
https://www.nature.com/articles/s41598-024-78437-9
2. Về chất điện giải cho pin ion nhôm:
Khoa học về pin ion nhôm: Những tiến bộ và thách thức trong phát triển chất điện phân
https://scisummary.com/blog/21-the-science-of-aluminum-ion-batteries-advancements-and-challenges-in-electrolyte-development?