Tương lai của việc lưu trữ năng lượng: Cải thiện pin lithium-ion và khám phá các giải pháp thay thế
Năng lượng là một phần quan trọng không thể thiếu của cuộc sống hiện đại. Từ việc cung cấp điện cho các thiết bị di động hàng ngày đến đáp ứng nhu cầu năng lượng tái tạo, việc lưu trữ năng lượng đang trải qua một sự biến đổi cách mạng. Việc lưu trữ năng lượng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thời đại hiện nay. Vậy lưu trữ năng lượng bằng cách nào? Pin luthium-ion là gì và có những giải pháp thay thế ra sao? Hãy cùng COMIT khám phá trong bài viết sau đây nhé!
Nghiên cứu về hệ thống lưu trữ năng lượng
Sự xuất hiện của các hệ thống lưu trữ năng lượng hiện đại đã mang đến một cuộc cách mạng trong việc sử dụng điện, tạo ra tác động sâu rộng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Chúng đã làm thay đổi cách chúng ta cung cấp năng lượng cho các thiết bị hàng ngày và đã đóng vai trò quan trọng trong việc biến năng lượng tái tạo từ khả năng tiềm ẩn thành hiện thực. Trong loạt các công nghệ lưu trữ năng lượng hiện nay, pin lithium-ion đã nổi lên như một loại pin đa dụng và được sử dụng rộng rãi nhất. Lí do cho điều này bao gồm trọng lượng tương đối nhẹ, khả năng tự xả thấp, và dung lượng cao. Nhờ vào những ưu điểm này, pin lithium-ion đã trở thành lựa chọn ưa thích cho nhiều ứng dụng, từ điện thoại di động đến xe điện và thiết bị điện tử tiêu dùng.
Pin lithium-ion là gì? Pin lithium-ion, thường được gọi là pin Li-ion, là một loại pin sạc điện dựa trên nguyên tắc hoạt động của ion lithium (Li+). Đây là một trong những loại pin phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới hiện nay.
Cấu tạo cơ bản của một pin lithium-ion bao gồm hai điện cực – một là anốt (cực âm) và một là catốt (cực dương) – được ngăn cách bởi một chất điện giữa được gọi là electrolyte. Khi pin được sạc, ion lithium được di chuyển từ catốt đến anốt qua electrolyte. Khi pin được sử dụng, ion lithium di chuyển từ anốt đến catốt, tạo ra dòng điện trong mạch ngoại vi mà chúng ta sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh, và nhiều thiết bị khác.
Tuy nhiên, với sự tăng cường không ngừng trong nhu cầu năng lượng của thế giới, việc tiếp tục cải tiến công nghệ tổng hợp và phát triển các chất hóa học mới cho pin lithium-ion trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Chúng ta cần nhiều hơn nữa về mật độ năng lượng, công suất, và thời gian sử dụng để đáp ứng những yêu cầu ngày càng tăng của cuộc sống hiện đại và để chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch hơn.
Trong một cuộc phỏng vấn mới đây, GS. Roberto Torresi, một trong những nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực này, đã có cơ hội chia sẻ nhiều hơn về công việc nghiên cứu và phát triển của ông trong việc tạo ra các vật liệu mới cho pin lithium-ion, cũng như khám phá các giải pháp thay thế đầy triển vọng.
Theo GS. Torresi, việc phát triển các vật liệu pin mới là một phần quan trọng của việc đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về năng lượng. Ông nói, “Chúng ta không thể ngừng nỗ lực để tạo ra các chất hóa học và vật liệu mới với khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn và hiệu suất cải thiện.”
Điều này bao gồm việc nghiên cứu các vật liệu an toàn hơn, có khả năng giảm thiểu nguy cơ nổ và cháy, và đồng thời có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt. GS. Torresi đã nhấn mạnh rằng, “Tính an toàn của các pin là một yếu tố không thể thiếu trong thiết kế và phát triển.”
Ngoài ra, GS. Torresi đã nói về việc nghiên cứu các phương pháp tổng hợp vật liệu pin bền vững hơn, chẳng hạn như sử dụng các kỹ thuật cơ hóa học. Cơ hóa học liên quan đến việc sử dụng năng lượng cơ học để tạo ra các phản ứng hữu cơ, thay vì dựa vào các phản ứng dựa trên dung môi và nhiệt thông thường. Ông cho biết, “Sử dụng các phương pháp như nghiền bi, có thể thực hiện tổng hợp hóa học theo cách xanh hơn nhiều.”
Tuy nhiên, GS. Torresi cũng thừa nhận rằng không phải tất cả các vật liệu đều phù hợp với các kỹ thuật này, nhưng đây là một bước tiến quan trọng trong việc làm cho quá trình sản xuất pin trở nên bền vững hơn và ít tác động đến môi trường.
Giáo sư Roberto Torresi là ai? Giáo sư Torresi là giáo sư chính thức tại Viện Hóa học của Đại học São Paulo và đã xuất bản hơn 250 bài báo được bình duyệt bao gồm nhiều lĩnh vực ứng dụng điện hóa.
Việc tiếp tục phát triển và nghiên cứu các vật liệu mới cho pin lithium-ion, cũng như tìm kiếm các giải pháp thay thế là một phần không thể thiếu của cuộc cách mạng về năng lượng mà chúng ta đang trải qua. Các nhà khoa học và nghiên cứu như GS. Torresi đang dẫn đầu cuộc đua này để mang lại năng lượng sạch và hiệu quả hơn cho tương lai.
Trong bài viết này, anh chia sẻ về vật liệu pin mà anh và nhóm của mình hiện đang tập trung nỗ lực, nêu bật tiềm năng của các kỹ thuật tổng hợp vật liệu mới và tiết lộ những gì anh thấy về tương lai của việc lưu trữ năng lượng
Cuộc tìm kiếm vật liệu pin mới và cải tiến
Pin lithium-ion (LIB) bao gồm ba thành phần cơ bản: cực âm, thường dựa trên các oxit kim loại, cực dương, thường được làm từ than chì và chất điện phân, có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc gel. hình thức. Khi pin lithium-ion phóng điện, một phản ứng hóa học xảy ra khiến các ion lithium di chuyển từ cực dương qua chất điện phân đến cực âm, trong khi các electron di chuyển từ cực dương sang cực âm thông qua một mạch điện bên ngoài, tạo ra dòng điện. Vì LIB có thể sạc lại nên phản ứng hóa học này có thể bị đảo ngược khi có dòng điện bên ngoài tác động, cho phép lưu trữ và cung cấp năng lượng qua nhiều chu kỳ sạc và xả.
LIB là gì? LIB là một trong những loại pin sạc phổ biến nhất, cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ điện thoại và máy tính xách tay cho đến xe điện và xe hybrid. Tuy nhiên, ứng dụng quy mô lớn của chúng bị cản trở bởi những rủi ro an toàn đáng kể khi tế bào của chúng phải chịu các điều kiện cơ, nhiệt hoặc điện khắc nghiệt. Điều này cùng với nhu cầu lưu trữ năng lượng ngày càng tăng đã thúc đẩy nhu cầu cải thiện tính ổn định và công suất của LIB – và Giáo sư Torresi là người đi đầu trong những nỗ lực này.
Theo Giáo sư Torresi, ông và nhóm của mình chủ yếu quan tâm đến ba loại vật liệu khác nhau. Ông nói: “Đầu tiên là những vật liệu có tiềm năng tích cực cao, chẳng hạn như niken. Tại đây, nhóm của ông đang nghiên cứu các oxit kim loại lithium có chứa niken, chẳng hạn như oxit coban mangan giàu niken (NMC), có thể mang lại công suất và độ ổn định cao hơn các vật liệu catốt thông thường được sử dụng trong LIB. Ông cho biết thêm: “Trong trường hợp của loại vật liệu này, độ ổn định của chất điện phân cũng cực kỳ quan trọng”. “Vì vậy, chúng tôi cũng đang nghiên cứu việc sử dụng chất lỏng ion làm chất điện phân cho loại vật liệu có tiềm năng cao này”. Chất lỏng ion đã thu hút được sự quan tâm đáng kể trong những năm gần đây do có nhiều đặc tính độc đáo, chẳng hạn như độ dẫn ion cao, độ ổn định nhiệt và hóa học cũng như không dễ cháy, khiến chúng trở thành sự thay thế đầy hứa hẹn cho các vật liệu điện phân hữu cơ dễ cháy thường được sử dụng trong lithium- pin ion.
Bất chấp tiềm năng của vật liệu catốt giàu kim loại cho LIB, chi phí ngày càng tăng của các kim loại như niken và coban, cùng với những lo ngại về môi trường và xã hội xung quanh việc khai thác chúng, đặt ra những thách thức đối với việc sử dụng lâu dài. Với suy nghĩ này, nguyên liệu thứ hai mà Giáo sư Torresi và nhóm của ông đang tập trung vào là lưu huỳnh, loại vật liệu có ưu điểm là tương đối rẻ và dồi dào. Ông nói: “Nhiều nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu về lưu huỳnh vì nó sẵn có như một sản phẩm phụ của một số ngành công nghiệp, bao gồm cả lọc nhiên liệu hóa thạch, nơi nó được chiết xuất từ dầu và khí tự nhiên”. Đồng thời, pin lithium-lưu huỳnh cung cấp mật độ năng lượng theo lý thuyết ít nhất gấp ba lần so với pin lithium-ion truyền thống, khiến nó trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho việc lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo.
Catốt là gì? Trong một pin lithium-ion (Li-ion) hoặc trong nhiều hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa, “catốt” là một trong hai điện cực chính của pin. Catốt cũng được gọi là cực dương, và nó thường là một phần của cấu trúc pin nơi các phản ứng hóa học xảy ra khi pin được sạc và sử dụng.
Trong trường hợp của pin lithium-ion, catốt thường được làm từ các vật liệu chứa lithium (Li) hoặc các hợp chất lithium như oxides và phosphates. Khi pin được sạc, ion lithium di chuyển từ catốt sang anốt (cực âm) qua electrolyte (chất dẫn điện ở giữa). Khi pin được sử dụng, các ion lithium di chuyển ngược lại từ anốt sang catốt, và trong quá trình này, năng lượng được tạo ra và sử dụng để cung cấp điện cho thiết bị nào đó.
Catốt có vai trò quan trọng trong xác định hiệu suất và dung lượng của pin, và các nghiên cứu liên quan đến việc phát triển vật liệu catốt mới và cải tiến có vai trò quan trọng trong việc tạo ra các pin lithium-ion mạnh mẽ hơn và bền vững hơn.
Trọng tâm thứ ba của Giáo sư Torresi là phát triển vật liệu để sử dụng trong pin nước (AB). Những loại pin này sử dụng chất điện phân gốc nước và cung cấp giải pháp thay thế đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí để lưu trữ năng lượng an toàn và có thể mở rộng. Tuy nhiên, Giáo sư Torresi lưu ý thách thức dai dẳng của AB là điện áp đầu ra thấp, thường dưới 1,5 volt. Ngoài ra, vật liệu làm cực dương hiện tại thường có độ hòa tan cao đối với chất điện phân dạng nước, dẫn đến mất công suất và tuổi thọ vòng đời kém. Để vượt qua những thách thức này và nâng cao hiệu suất của AB, điều quan trọng là phải xác định các vật liệu có khả năng đảo ngược điện hóa, có cửa sổ tiềm năng điện hóa lớn và bền về mặt hóa học trong dung dịch nước.
Hướng tới phát triển xanh – bền vững
Những cải tiến đối với các thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa đang mở ra một thế giới mới đầy tiềm năng và khả năng. Từ việc áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng di động phổ biến như xe điện đến việc hỗ trợ phân phối năng lượng trên cấp quốc gia và thậm chí thúc đẩy quá trình khử carbon trong ngành sản xuất năng lượng, sự tiến bộ trong lĩnh vực này đang thúc đẩy sự đổi mới trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hiện đại.
Giáo sư Torresi đã chia sẻ quan điểm của mình về tầm quan trọng của việc phát triển pin mới trong việc khai thác tiềm năng của năng lượng tái tạo. Ông nói: “Pin mới cũng sẽ cách mạng hóa cách sử dụng năng lượng tái tạo.” Bằng cách kết hợp hiệu suất của các pin tiên tiến với nguồn năng lượng tái tạo, chúng ta có thể lưu trữ và sử dụng năng lượng xanh theo yêu cầu, ngay cả khi sự sẵn có của nó có thể thay đổi. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể tự do sử dụng năng lượng từ nguồn mặt trời hoặc gió, chẳng hạn, ngay cả khi mặt trời chỉ sáng sủa vào ban ngày hoặc gió thổi mạnh vào buổi tối.
Tuy nhiên, không thể bỏ qua một vấn đề quan trọng khác mà GS. Torresi đã nhấn mạnh, đó là nhu cầu ngày càng tăng về các loại pin như pin lithium-ion (LIB) cũng sẽ tạo áp lực lên việc khai thác các tài nguyên hữu hạn cần thiết cho sản xuất pin. Để đáp ứng nhu cầu này, không chỉ việc phát triển các vật liệu pin mới với mật độ năng lượng cao và hiệu suất đạp xe tốt, mà còn cần xem xét tính thân thiện với môi trường của chúng.
GS. Torresi đã đề cập đến việc sử dụng cơ hóa học trong quá trình tổng hợp vật liệu pin. Điều này liên quan đến việc sử dụng năng lượng cơ học để tạo ra các phản ứng hữu cơ thay vì dựa vào các phản ứng dựa trên dung môi và nhiệt thông thường. Thật thú vị khi ông nói: “Sử dụng các phương pháp như nghiền bi, có thể thực hiện tổng hợp hóa học theo cách xanh hơn nhiều.” Tuy nhiên, ông cũng nhấn mạnh rằng kỹ thuật này không thể áp dụng được với tất cả các vật liệu, nhưng nó đang mở ra cơ hội để cải thiện quá trình sản xuất pin một cách bền vững hơn và ít tác động đến môi trường.
Nhìn chung, cuộc cách mạng trong lưu trữ năng lượng đang mở ra không gian rộng lớn cho sự đổi mới và sáng tạo. Việc kết hợp giữa hiệu suất và tính bền vững trong việc phát triển pin mới sẽ giúp chúng ta tiến xa hơn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới, đồng thời bảo vệ môi trường và khả năng sử dụng tài nguyên hữu hạn của chúng ta.
Tương lai của hệ thống dự trữ năng lượng
Tương lai của lưu trữ năng lượng đang được hình thành bởi một sự đổi mới và phát triển không ngừng trong lĩnh vực nghiên cứu pin. Chúng ta đang chứng kiến một cuộc cách mạng trong công nghệ pin, và Giáo sư Torresi đã bày tỏ rằng chúng ta có thể mong đợi thấy sự đa dạng và đa dạng hóa trong việc áp dụng các công nghệ khác nhau để giải quyết các thách thức và đáp ứng các ứng dụng cụ thể.
Theo ông, “Không thể tưởng tượng rằng tương lai sẽ chỉ có một công nghệ duy nhất.” Thay vào đó, chúng ta sẽ chứng kiến sự ra đời và phát triển của nhiều loại công nghệ pin khác nhau. Ví dụ, pin lithium-ion có thể vẫn sẽ tiếp tục là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng vận tải do khả năng hoạt động linh hoạt và khả năng lưu trữ năng lượng cao. Trong khi đó, pin sodium-ion có thể trở thành lựa chọn tốt hơn cho các ứng dụng cố định, nơi khả năng lưu trữ năng lượng ổn định và giá trị kinh tế cao hơn được đánh giá cao.
Điều quan trọng là GS. Torresi đã chỉ ra rằng trong vòng năm năm tới, ngành công nghiệp năng lượng cần tìm ra giải pháp cho một số vấn đề quan trọng. Điều này bao gồm việc tìm kiếm các vật liệu rẻ hơn để sản xuất pin, sử dụng các vật liệu trước đây không thể sử dụng, và phát triển các vật liệu tích điện có tiềm năng cao hơn cho các cathode (cực âm) và các chất điện giữ ổn định hơn.
Tuy nhiên, không chỉ về hiệu suất, GS. Torresi cũng nêu rõ rằng tính bền vững của các vật liệu pin là một yếu tố không thể bỏ qua. Nếu chúng ta không thể đảm bảo tính bền vững của việc sản xuất và sử dụng pin, thì lợi ích của chúng sẽ bị hạn chế và có thể gây hại cho môi trường. Do đó, bền vững cần phải là một trong những nguyên tắc chủ đạo trong mọi nghiên cứu pin trong tương lai.
Chúng ta đang tiến gần hơn đến thế hệ lưu trữ năng lượng tiếp theo, và việc cân nhắc sử dụng nhiều công nghệ khác nhau với mục tiêu chung là tạo ra các giải pháp pin mạnh mẽ, bền vững và hiệu quả là điều cực kỳ quan trọng để đảm bảo tiến bộ và sự phát triển trong lĩnh vực này.
