Sự tiến bộ trong phát triển Pin lưu trữ năng lượng cho tương lai – Phần cuối
Cải tiến pin lithium-ion và các giải pháp thay thế trong tương lai
GS. Roberto Torresi, một chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực hóa học tại Đại học São Paulo, đã giới thiệu về công trình nghiên cứu mới nhất của mình trong lĩnh vực phát triển pin, nhằm mục tiêu nâng cao khả năng, đảm bảo an toàn và tăng tính bền vững cho hệ thống lưu trữ năng lượng. Sự phát triển của hệ thống lưu trữ năng lượng hiện đại đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc sử dụng điện, từ việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị hàng ngày đến việc tạo điều kiện thuận lợi hơn cho nguồn năng lượng tái tạo.
Trong số nhiều công nghệ lưu trữ năng lượng, pin lithium-ion đã trở thành công nghệ được ưa chuộng nhất, nhờ vào trọng lượng nhẹ, tự xả thấp và dung lượng cao. Tuy nhiên, với nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, việc cải tiến công nghệ hiện có và phát triển các loại pin mới với mật độ năng lượng và công suất cao hơn là điều cấp thiết.
GS. Torresi đã xuất bản hơn 250 bài báo, bao gồm một loạt các lĩnh vực ứng dụng điện hóa. Ông và nhóm của mình đang tập trung vào việc phát triển vật liệu mới cho pin lithium-ion và khám phá các giải pháp thay thế tiềm năng. Trong bài viết này, ông chia sẻ về các vật liệu pin mà nhóm của mình đang tập trung nghiên cứu, đánh giá cao tiềm năng của các kỹ thuật tổng hợp vật liệu mới và tiết lộ những gì ông nhìn thấy cho tương lai của việc lưu trữ năng lượng.
Hành trình tìm kiếm vật liệu pin mới và cải tiến
Pin lithium-ion (LIB) là một công nghệ pin sạc tiên tiến, bao gồm ba thành phần chính: cực dương (thường là oxit kim loại), cực âm (thường là graphite) và chất điện phân (có thể là rắn, lỏng hoặc gel). Khi LIB hoạt động, ion lithium di chuyển từ cực âm đến cực dương qua chất điện phân, trong khi electron di chuyển từ cực âm đến cực dương qua một mạch ngoại vi, tạo ra dòng điện. Điều thú vị là quá trình này có thể đảo ngược khi áp dụng dòng điện ngoại vi, cho phép năng lượng được lưu trữ và cung cấp qua nhiều chu kỳ sạc và xả.
LIB đã trở thành nguồn năng lượng không thể thiếu cho nhiều thiết bị từ điện thoại, máy tính xách tay đến xe điện. Tuy nhiên, việc sử dụng LIB trên quy mô lớn gặp phải những rủi ro an toàn khi các cell của chúng phải đối mặt với các điều kiện khắc nghiệt. Điều này, cùng với nhu cầu tăng cường về lưu trữ năng lượng, đã thúc đẩy nhu cầu cải thiện sự ổn định và dung lượng của LIB. Giáo sư Torresi và nhóm của ông đang dẫn đầu trong lĩnh vực này.
Theo Giáo sư Torresi, nhóm của ông đang tập trung nghiên cứu ba loại vật liệu khác nhau. Đầu tiên là các vật liệu có tiềm năng dương cao, như niken. Họ đang khám phá các oxit kim loại lithium chứa niken, như oxit mangan coban giàu niken (NMC), có thể cung cấp dung lượng và ổn định cao hơn so với các vật liệu cực dương thông thường. Đồng thời, họ cũng đang nghiên cứu việc sử dụng chất lỏng ion làm chất điện phân cho loại vật liệu tiềm năng cao này. Chất lỏng ion có nhiều đặc tính độc đáo như độ dẫn ion cao, ổn định nhiệt và hóa học, và không cháy, làm cho chúng trở thành một sự thay thế hứa hẹn cho các vật liệu điện phân hữu cơ dễ cháy thường được sử dụng trong pin lithium-ion.
Trong bối cảnh giá cả các kim loại như niken và coban đang tăng lên, cùng với những mối quan tâm về môi trường và xã hội liên quan đến việc khai thác chúng, việc tìm kiếm vật liệu cathode mới cho pin lithium-ion (LIBs) trở nên khó khăn hơn. Trong khi đó, Giáo sư Torresi và đội ngũ của ông đang tập trung vào lưu huỳnh – một nguyên liệu rẻ tiền và dồi dào.
Lưu huỳnh được coi là nguồn nguyên liệu tiềm năng do sẵn có từ nhiều ngành công nghiệp, bao gồm lọc dầu hóa thạch. Hơn nữa, pin lithium-lưu huỳnh mang lại mật độ năng lượng lý thuyết gấp ba lần so với pin lithium-ion truyền thống, mở ra triển vọng cho việc lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo. Ngoài ra, Giáo sư Torresi cũng đang nghiên cứu về việc phát triển vật liệu cho pin nước (ABs) – một giải pháp lưu trữ năng lượng an toàn, có thể mở rộng và tiết kiệm chi phí.
Tuy nhiên, một vấn đề lớn của ABs là điện áp đầu ra thấp (ít hơn 1,5 volt) và vật liệu anode hiện tại thường bị tan trong chất điện phân dựa trên nước, dẫn đến mất dung lượng và tuổi thọ chu kỳ kém. Để khắc phục những thách thức này và nâng cao hiệu suất của ABs, việc xác định các vật liệu có tính đảo điện hóa, có cửa sổ tiềm năng điện hóa lớn và chắc chắn hóa học trong dung dịch nước là rất quan trọng.
Hướng tới mục tiêu tiêu dùng xanh
Sự tiến bộ trong lưu trữ năng lượng điện hóa sẽ mở ra một loạt các khả năng từ các ứng dụng di động như xe điện đến việc hỗ trợ hệ thống phân phối năng lượng quốc gia và thúc đẩy quá trình giảm carbon trong sản xuất năng lượng.
Giáo sư Torresi cho biết: “Ngoài việc mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp vận tải, một trong những tác động lớn nhất của thế hệ pin tiếp theo sẽ là trong các ứng dụng cố định, như trong việc phân phối điện, cho phép lưu trữ năng lượng dư thừa và trả lại lưới điện theo yêu cầu.”
Ông cũng nhấn mạnh rằng pin mới sẽ cách mạng hóa cách chúng ta sử dụng năng lượng tái tạo. Khi kết hợp pin hiệu quả với nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng xanh có thể được lưu trữ và sử dụng khi cần thiết, ngay cả khi việc sản xuất năng lượng của nó là biến đổi.
Tuy nhiên, Giáo sư Torresi cũng lưu ý rằng nhu cầu tăng lên đối với các loại pin như LIBs sẽ ảnh hưởng đến việc khai thác các nguồn tài nguyên hạn chế cần thiết cho việc sản xuất pin. Ông nhấn mạnh rằng, ngoài việc phát triển các vật liệu có mật độ năng lượng cao, khả năng hoạt động cao và hiệu suất chu kỳ, tính thân thiện với môi trường nên là yếu tố cơ bản cho sự tiến bộ của pin lithium-ion trong tương lai.
“Chúng tôi không chỉ kiểm tra các vật liệu mới, mà còn đang nghiên cứu các phương pháp tổng hợp vật liệu pin mới và bền vững hơn, chẳng hạn như sử dụng các kỹ thuật cơ hóa,” ông nói. Cơ hóa liên quan đến việc sử dụng năng lượng cơ học để gây ra các phản ứng hữu cơ thay vì dựa vào các phương pháp dựa trên dung môi và nhiệt thông thường. “Sử dụng các phương pháp như nghiền bóng, có thể thực hiện tổng hợp hóa học theo cách xanh hơn nhiều,” Giáo sư Torresi phấn khích, mặc dù ông thừa nhận rằng kỹ thuật này không phù hợp với tất cả các vật liệu.
Triển vọng phát triển Pin lưu trữ năng lượng trong tương lai
Theo dự đoán của Giáo sư Torresi, tương lai của nghiên cứu pin sẽ không chỉ dựa vào một công nghệ duy nhất. Thay vào đó, sẽ có sự đa dạng về công nghệ, mỗi loại sẽ có những ứng dụng và thách thức riêng biệt. Cụ thể, pin lithium-ion có thể sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu cho ngành vận tải, trong khi pin ion natri có thể phù hợp hơn với các ứng dụng không di động.
Trong vòng năm năm tới, Giáo sư Torresi hy vọng rằng sẽ có những giải pháp cho các vấn đề hiện tại trong lĩnh vực nghiên cứu pin. Đó là việc tìm kiếm các vật liệu giá rẻ hơn, khai thác các vật liệu trước đây không thể sử dụng được, và phát triển các vật liệu dương tích có tiềm năng cao hơn cho cực dương cũng như các chất điện phân ổn định hơn.
Tuy nhiên, ông cũng nhấn mạnh rằng, vật liệu sử dụng trong quá trình sản xuất pin phải bền vững hơn. Nếu không, việc sử dụng pin sẽ trở nên kém hiệu quả. Điều này nên được coi là nguyên tắc hướng dẫn cho tất cả các nghiên cứu pin trong tương lai, khi chúng ta đang tiến gần hơn đến việc thực hiện thế hệ tiếp theo của công nghệ lưu trữ năng lượng. Đây không chỉ là một bước tiến về mặt kỹ thuật, mà còn là một bước tiến về mặt ý thức, nhằm đảm bảo rằng công nghệ của chúng ta không chỉ tiên tiến mà còn bền vững và thân thiện với môi trường.
Xin chào, Comitcorp là một công ty từ Việt Nam, thành lập từ năm 2003. Được biết đến như một nhà cung cấp hàng đầu trong lĩnh vực Kiểm tra & Đo lường, Comitcorp mang đến cho khách hàng một loạt các dịch vụ và giải pháp đa dạng. Uy tín của công ty được xây dựng thông qua việc cung cấp các giải pháp phù hợp nhất cho khách hàng trên toàn cầu, từ Đông Nam Á đến Châu Phi. Với đội ngũ nhân viên nhiệt tình và sáng tạo, chúng tôi luôn không ngừng nỗ lực để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng. Rất mong được phục vụ bạn.
