Cuộc chạy đua công nghệ pin thế hệ mới

“Pin nước” có thể tái chế và không bắt lửa

Một nhóm nhà nghiên cứu và cộng tác viên trong ngành toàn cầu do Viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne (RMIT, Australia) dẫn đầu phát triển “pin nước” có thể tái chế, không bắt lửa hoặc phát nổ. “Pin nước” cải tiến mang lại giải pháp thay thế an toàn, có thể tái chế cho pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Pin ion kim loại nước này sử dụng nước thay vì chất điện phân dễ cháy, ngăn ngừa nguy cơ hỏa hoạn. Thiết kế bền vững của chúng giúp dễ dàng tháo rời để tái sử dụng hoặc tái chế vật liệu. Những tiến bộ đáng kể bao gồm khắc phục sự phát triển của dendrite, kéo dài tuổi thọ pin và đạt được mật độ năng lượng cạnh tranh với các ứng dụng tiềm năng trong lưu trữ lưới và tích hợp năng lượng tái tạo.

Dendrite là những hạt giống như kim cương xuất hiện trên bề mặt của lithium kim loại, được sử dụng làm anốt (cực dương) hoặc điện cực âm của pin. Chúng gây ra loạt phản ứng phụ không mong muốn như làm giảm mật độ năng lượng, và tồi tệ nhất là gây ra sự thiếu hụt các điện cực có thể dẫn đến cháy hoặc nổ.

Thành công của dự án được củng cố bởi sự hợp tác toàn cầu và quan hệ đối tác trong ngành, báo hiệu một hướng đi đầy hứa hẹn về các giải pháp lưu trữ năng lượng an toàn và hiệu quả hơn. Bộ lưu trữ năng lượng lithium-ion chiếm ưu thế trên thị trường do sự trưởng thành về mặt công nghệ, nhưng tính phù hợp của nó đối với việc lưu trữ năng lượng lưới điện quy mô lớn bị hạn chế bởi những lo ngại về an toàn với các vật liệu dễ bay hơi bên trong.

Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Tianyi Ma cho biết pin của họ đang ở vị trí tiên tiến trong lĩnh vực thiết bị lưu trữ năng lượng nước mới nổi, với những đột phá giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và tuổi thọ của công nghệ. Ma, từ Trường Khoa học của RMIT, cho biết: “Những gì chúng tôi thiết kế và sản xuất được gọi là pin ion kim loại chứa nước - hoặc chúng tôi có thể gọi chúng là pin nước”.

Nhóm nghiên cứu sử dụng nước thay thế chất điện phân hữu cơ - cho phép dòng điện chạy giữa cực dương và cực âm - nghĩa là pin của họ không thể bắt lửa hoặc nổ - không giống như pin lithium-ion. Ma cho biết sự đơn giản trong quy trình sản xuất pin nước giúp việc sản xuất hàng loạt trở nên khả thi: “Để giải quyết những thách thức về việc xử lý khi hết tuổi thọ mà người tiêu dùng, ngành công nghiệp và chính phủ trên toàn cầu phải đối mặt bằng công nghệ lưu trữ năng lượng hiện tại, pin của chúng tôi có thể được tháo rời một cách an toàn và vật liệu có thể được tái sử dụng hoặc tái chế. Chúng tôi sử dụng vật liệu như magie và kẽm có nhiều trong tự nhiên, rẻ tiền và ít độc hại hơn so với vật liệu thay thế được sử dụng trong các loại pin khác, giúp giảm chi phí sản xuất và giảm rủi ro đối với sức khỏe con người và môi trường”.

Nhóm chế tạo một loạt pin thử nghiệm quy mô nhỏ cho nhiều nghiên cứu được bình duyệt nhằm giải quyết nhiều thách thức công nghệ khác nhau - bao gồm tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng và tuổi thọ. Trong công trình mới nhất được xuất bản trên tạp chí Advanced Materials, họ đã vượt qua được một thách thức lớn - sự phát triển của các sợi nhánh gây rối loạn, là những dạng kim loại có gai nhọn có thể dẫn đến đoản mạch và một số lỗi nghiêm trọng khác. Nhóm nghiên cứu phủ các bộ phận pin bị ảnh hưởng bằng kim loại gọi là bismuth và oxit của nó (còn gọi là rỉ sét) như một lớp bảo vệ ngăn chặn sự hình thành dendrite.

“Pin của chúng tôi giờ đây có tuổi thọ dài hơn đáng kể - có thể so sánh với pin lithium-ion thương mại trên thị trường - khiến chúng trở nên lý tưởng sử dụng ở cường độ cao và tốc độ cao trong nhiều ứng dụng trong thế giới thực. Với công suất ấn tượng và tuổi thọ kéo dài, chúng tôi không chỉ có công nghệ pin tiên tiến mà còn tích hợp thành công thiết kế của chúng tôi với tấm pin mặt trời, cho thấy khả năng lưu trữ năng lượng tái tạo hiệu quả và ổn định”. Pin nước của nhóm đang thu hẹp khoảng cách với công nghệ lithium-ion về mật độ năng lượng, với mục đích sử dụng ít không gian trên mỗi đơn vị năng lượng nhất có thể.

Ma hy vọng magie sẽ là vật liệu được lựa chọn cho pin nước trong tương lai: “Gần đây, chúng tôi đã chế tạo được pin nước magie-ion có mật độ năng lượng 75 watt-giờ/kg - cao hơn tới 30% so với pin ô tô Tesla mới nhất. Bước tiếp theo là tăng mật độ năng lượng pin nước bằng cách phát triển vật liệu nano mới làm vật liệu điện cực. Pin nước magiê-ion có tiềm năng thay thế pin axit chì trong thời gian ngắn - như từ 1 đến 3 năm - và có thể thay thế pin lithium-ion trong dài hạn, từ 5 đến 10 năm kể từ bây giờ. Magiê nhẹ hơn kim loại thay thế, bao gồm kẽm và niken, có mật độ năng lượng tiềm năng lớn hơn và sẽ giúp pin có thời gian sạc nhanh hơn cũng như khả năng hỗ trợ tốt hơn cho mọi thiết bị và ứng dụng ngốn điện”.

Ma cho biết pin của nhóm rất phù hợp cho các ứng dụng quy mô lớn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc lưu trữ trên lưới và tích hợp năng lượng tái tạo - đặc biệt là về mặt an toàn. Khi công nghệ của chúng tôi tiến bộ, các loại ứng dụng lưu trữ năng lượng quy mô nhỏ hơn như cung cấp năng lượng cho ngôi nhà và thiết bị giải trí của mọi người có thể trở thành hiện thực. Công nghệ được hỗ trợ bởi nghiên cứu được bình duyệt, tài trợ của chính phủ và sự tham gia của ngành. Là một phần của dự án Liên kết ARC, nhóm của Ma đang liên tục phát triển pin nước với sự cộng tác của đối tác trong ngành - GrapheneX, một nhà đổi mới công nghệ có trụ sở tại Sydney.

Ma bình luận: “Chúng tôi cũng hợp tác chặt chẽ với các nhà nghiên cứu và chuyên gia từ nhiều trường đại học và tổ chức nghiên cứu nổi tiếng ở Australia, Mỹ, Anh, Nhật Bản, Singapore, Trung Quốc và một số nơi khác. Những sự hợp tác này tạo điều kiện trao đổi kiến thức và tiếp cận các cơ sở tiên tiến. Bằng cách tận dụng kiến thức chuyên môn của nhóm toàn cầu này trong các lĩnh vực khác nhau, chúng tôi có thể giải quyết những thách thức phức tạp liên quan từ nhiều góc độ khác nhau”.

Điện thoại thông minh tính phí trước để tạo ra pin tốt hơn

Một chiếc điện thoại thông minh có thể được sạc trong vòng chưa đầy 40 phút. Thậm chí còn tốt hơn: một cục pin hạt nhân nhỏ có thể duy trì hoạt động trong 50 năm. Đối mặt với việc người tiêu dùng đã chán ngấy việc phải cắm điện thoại liên tục, các nhà sản xuất thiết bị đang chạy đua để phát triển loại pin mạnh hơn, có thể sạc nhanh hơn và sử dụng lâu hơn. Các công ty viễn thông nêu bật một số tiến bộ họ đã đạt được tại triển lãm thường niên lớn nhất của ngành, Hội nghị Thế giới Di động (MWC).

Nhà phân tích Thomas Husson của Forrester Research báo cáo: “Tất cả nhà sản xuất đều mong muốn có được loại pin hoạt động tốt hơn. Có cảm giác rằng đó là lĩnh vực đang bị tụt lại phía sau và chúng tôi phải tiến về phía trước”. Husson nói thêm rằng khi những mẫu điện thoại thông minh ngày càng trở nên giống nhau, việc có pin tốt hơn là một cách để “nổi bật giữa đám đông”.

Kể từ khi điện thoại thông minh đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào những năm 2000, đã có một số tiến bộ trong lĩnh vực pin, chẳng hạn như sạc không dây, nhưng vẫn còn nhiều điều cần cải thiện. Allied Market Research viết trong một báo cáo nghiên cứu rằng sự phổ biến ngày càng tăng của nhiều ứng dụng ngốn nhiều năng lượng như chơi game và mạng xã hội đang thúc đẩy nhu cầu về “pin di động có dung lượng pin cao” và thúc đẩy cuộc đua đổi mới giữa các nhà sản xuất. Phần lớn điện thoại thông minh hiện nay chạy bằng pin lithium-ion được làm từ vật liệu quý hiếm như lithium, coban và mangan, có giá tăng vọt và giảm chất lượng theo thời gian. Để giải quyết vấn đề này, các nhà sản xuất đang khám phá giải pháp thay thế sử dụng lithium sulfur hoặc graphene, những loại có thể tồn tại lâu hơn và dựa vào các nguyên tố ít hiếm hơn.

Nhà sản xuất thiết bị cầm tay Trung Quốc Honor phát triển một công nghệ pin mới có dung lượng cao hơn, sử dụng silicon-carbon cho điện thoại thông minh Magic 6 hàng đầu được trang bị AI mới của mình. Công ty cho biết công nghệ này có thể sạc đầy trong vòng chưa đầy 40 phút và có thời lượng sử dụng lâu hơn so với các đối thủ cạnh tranh chính. Đây là pin điện thoại thông minh hàng đầu trong bảng xếp hạng do DXOMARK - một trang web thương mại đánh giá thiết bị cầm tay một cách khoa học. Vì các tính năng AI sử dụng nhiều năng lượng hơn, “tất nhiên chúng tôi cần thời lượng pin mạnh mẽ” - Giám đốc điều hành của Honor, George Zhao, cho biết. Gã khổng lồ Samsung của Hàn Quốc được cho là đang phát triển một loại pin thể rắn có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn, sạc nhanh hơn và mang lại sự an toàn cao hơn nhằm mục đích ra mắt vào năm 2027.

Theo tờ báo ET News của Hàn Quốc, đối thủ chính của họ là Apple - năm 2023 đã vượt qua Samsung để trở thành nhà bán điện thoại thông minh hàng đầu thế giới - đang phát triển công nghệ pin của riêng mình nhằm đưa các thiết kế của mình vào mọi thiết bị di động, có lẽ sớm nhất là vào năm 2025. Husson cho biết, việc sản xuất pin thường được thuê ngoài nhưng nhà sản xuất thiết bị hiện đang ngày càng tìm cách “giảm sự phụ thuộc vào một số nhà cung cấp nhất định” như họ đã làm với chip.

Công ty khởi nghiệp Betavolt Technology của Trung Quốc cũng tiết lộ một loại pin hạt nhân mới cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh trong 50 năm mà không cần sạc lại. Công ty có trụ sở tại Bắc Kinh cho biết pin thế hệ tiếp theo là loại pin đầu tiên trên thế giới hiện thực hóa việc thu nhỏ năng lượng nguyên tử, đặt các đồng vị niken-63 vào một mô-đun nhỏ hơn đồng xu. Công ty không cho biết khi nào pin sẽ được sản xuất hàng loạt cho ứng dụng thương mại mà chỉ nói rằng nó đang trong giai đoạn thử nghiệm thí điểm. Những cải tiến đôi khi được yêu cầu bởi các nhà lập pháp.

Quốc hội Liên minh Châu Âu đã thông qua các quy định mới để làm cho pin bền vững hơn bằng cách áp đặt mức hàm lượng tái chế tối thiểu mà chúng phải sử dụng và bền hơn. Ben Wood, giám đốc nghiên cứu của CCS Insight, bình luận: “Có nhiều tiền được chi cho công nghệ pin hơn bao giờ hết vì sự phát triển của ô tô điện. Vì vậy, đây là thời điểm khá thú vị đối với pin. Nếu ai đó có thể giải quyết được vấn đề về pin, đó sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi. Hãy tưởng tượng có một chiếc điện thoại di động có thể sử dụng được hai tuần, điều đó thật tuyệt vời. Nhưng chúng ta còn rất nhiều năm nữa điều đó mới xảy ra”.