Công nghệ pin tương lai

Hệ thống pin phổ biến nhất hiện nay của chúng ta là Li-ion và axit chì. Tuy nhiên, cả hai hệ thống đều có những thách thức và hạn chế đòi hỏi một giải pháp tốt hơn. Ngành công nghiệp pin đang tràn ngập những lời hứa suông, nhưng vẫn đang có những tiến bộ về công nghệ pin tương lai.

Việc lưu trữ năng lượng điện một cách tiết kiệm vẫn là một trong những thách thức chưa được giải quyết trong xã hội hiện đại. Người ta thường nói: "Cứ mỗi 1% cải thiện về hiệu suất pin sẽ mở rộng ứng dụng pin lên 10%". Một hướng dẫn đơn giản cho thấy: "Chi phí năng lượng tăng gấp đôi khi được lưu trữ trong pin để tái sử dụng".

Về tuổi thọ, pin lithium đang có những tiến bộ đáng kể nhờ sử dụng vật liệu catốt đơn tinh thể. Ngành công nghiệp xe điện đang nỗ lực đạt được tuổi thọ pin lên đến 15 năm, thúc đẩy việc kéo dài tuổi thọ và duy trì dung lượng cao hơn. Tuy nhiên, chừng nào điện thoại di động trên thị trường tiêu dùng vẫn sử dụng các loại pin Li-ion thông thường được sạc đến điện áp tối đa cho phép, tuổi thọ pin sẽ còn ngắn.

Về mặt năng lượng riêng , anode dây nano silicon đạt được watt-giờ trên kg (Wh/kg) cao gấp đôi so với pin Li-ion thương mại, nhưng cấu trúc dựa trên dây nano Si có tuổi thọ hạn chế. Các đảo Si ở kích thước vi mô hình thành bên dưới các mảng dây nano với chu kỳ tuần hoàn gây ra ứng suất và nứt. Việc mất dung lượng xảy ra do giảm tiếp xúc với các bộ thu dòng điện.

Pin thử nghiệm chủ yếu được lưu giữ trong các phòng thí nghiệm kín đáo và giao tiếp với thế giới bên ngoài bằng những báo cáo đầy hứa hẹn nhưng phiến diện, thường nhằm thu hút các nhà đầu tư. Một số thiết kế cho thấy kết quả không thực tế với ngày phát hành dự kiến ​​thay đổi theo thời gian. Hầu hết các ý tưởng biến mất khỏi lĩnh vực pin và chết yểu trong phòng thí nghiệm mà không ai hay biết.

Ít có sản phẩm nào khác có yêu cầu khắt khe tương tự như pin, và sự phức tạp này khiến các nhà đầu tư mạo hiểm, những người đã thành công trong thời kỳ dot-com và mong đợi lợi nhuận đầu tư hào phóng tương tự chỉ sau 3 năm, bối rối; việc phát triển pin thường mất 10 năm. Hầu hết các nhà đầu tư mạo hiểm không đủ kiên nhẫn chờ đợi và họ rút vốn, khiến nhà phát triển gặp khó khăn. Việc huy động vốn rất tốn thời gian, và nhiều công ty khởi nghiệp dành nhiều thời gian và công sức cho công việc này không kém gì việc nghiên cứu. 

Hầu hết các loại pin thử nghiệm trong họ pin lithium đều có một điểm chung; chúng sử dụng cực dương lithium kim loại để đạt được năng lượng riêng cao hơn so với cực âm bị oxy hóa trong pin lithium-ion, loại pin được sử dụng phổ biến hiện nay.

Moli Energy là công ty đầu tiên sản xuất hàng loạt pin Li-metal có thể sạc lại vào những năm 1980, nhưng điều này đặt ra một rủi ro an toàn nghiêm trọng vì sự phát triển của các dendrite lithium gây ra hiện tượng đoản mạch điện dẫn đến tình trạng mất kiểm soát nhiệt. Sở cứu hỏa địa phương biết chính xác nơi cần báo cháy tại nhà máy Moli; đó là kho pin. Sau một sự cố thông hơi làm một người sử dụng pin bị thương, tất cả các bộ pin lithium-metal đã được thu hồi vào năm 1989. NEC và Tadiran đã cố gắng cải thiện thiết kế nhưng không thành công. Rất ít công ty sản xuất pin lithium-metal có thể sạc lại và hầu hết chỉ cung cấp các phiên bản chính. Nghiên cứu vẫn đang tiếp tục và một giải pháp khả thi với các vật liệu mới như một phần của lithium thể rắn có thể đã có sẵn. Thiết kế này được mô tả thêm trong phần này.

Các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển một cấu trúc cực dương cho pin Li-ion dựa trên vật liệu nanocomposite silicon-carbon. Về mặt lý thuyết, cực dương silicon có thể lưu trữ năng lượng gấp 10 lần cực dương than chì, nhưng sự giãn nở và co lại trong quá trình sạc và xả khiến hệ thống trở nên không ổn định. Việc bổ sung than chì vào cực dương được cho là có thể đạt được dung lượng lý thuyết gấp năm lần so với pin Li-ion thông thường với hiệu suất ổn định. Tuy nhiên, tuổi thọ chu kỳ sẽ bị hạn chế do các vấn đề về cấu trúc khi nạp và rút lithium-ion ở thể tích lớn.

Việc đáp ứng tám yêu cầu cơ bản của pin bát giác là một thách thức. Việc thương mại hóa dường như luôn hướng đến một mục tiêu di động, luôn luôn phải chờ đợi cả thập kỷ, nhưng các nhà khoa học không bỏ cuộc. Dưới đây là một số loại pin thử nghiệm đầy hứa hẹn.

Lithium-không khí (Li-không khí)

Pin lithium-không khí mở ra một chân trời mới đầy thú vị bởi loại pin này hứa hẹn lưu trữ năng lượng nhiều hơn hẳn so với công nghệ lithium-ion hiện tại. Các nhà khoa học đã mượn ý tưởng từ pin kẽm-không khí và pin nhiên liệu để tạo ra pin "hít thở" không khí. Pin sử dụng cực âm không khí xúc tác cung cấp oxy, chất điện phân và cực dương lithium.

Năng lượng riêng lý thuyết của lithium-không khí là 13kWh/kg. Nhôm-không khí cũng đang được thử nghiệm, và nó thấp hơn một chút ở mức 8kWh/kg. Nếu những năng lượng này thực sự được truyền tải, thì kim loại-không khí, hay còn gọi là pin, sẽ ngang bằng với xăng ở mức khoảng 13kWh/kg. Nhưng ngay cả khi sản phẩm cuối cùng chỉ đạt một phần tư mật độ năng lượng lý thuyết, động cơ điện với hiệu suất hơn 90% sẽ bù đắp được công suất thấp hơn của nó so với động cơ đốt trong (ICE) với hiệu suất nhiệt chỉ 25–30%.

Li-air được đề xuất vào những năm 1970 và được quan tâm trở lại vào cuối những năm 2000, một phần nhờ những tiến bộ trong khoa học vật liệu và nỗ lực tìm kiếm một loại pin tốt hơn cho hệ thống truyền động điện. Tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng, lithium-air tạo ra điện áp từ 1,7 đến 3,2V/cell. IBM, MIT, Đại học California và các trung tâm nghiên cứu khác đang phát triển công nghệ này.

Giống như các loại pin thở không khí khác, công suất riêng có thể thấp, đặc biệt là ở nhiệt độ lạnh. Độ tinh khiết của không khí cũng được cho là một thách thức vì không khí chúng ta hít thở trong thành phố không đủ sạch cho lithium-air và cần được lọc. Theo những gì chúng ta biết, pin có thể sẽ có máy nén, máy bơm và bộ lọc giống như một pin nhiên liệu, tiêu thụ 30% năng lượng được tạo ra để hỗ trợ phụ trợ duy trì hoạt động.

Một vấn đề khác là hội chứng đột tử. Lithium và oxy tạo thành màng lithium peroxide, tạo ra một lớp rào cản ngăn cản sự di chuyển của electron và làm giảm đột ngột dung lượng lưu trữ của pin. Các nhà khoa học đang thử nghiệm các chất phụ gia để ngăn chặn sự hình thành màng. Tuổi thọ chu kỳ cũng cần được cải thiện; các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hiện chỉ cho kết quả 50 chu kỳ.

Kim loại Liti (Li-kim loại)

Pin lithium-metal từ lâu đã được coi là loại pin sạc tương lai nhờ năng lượng riêng cao và khả năng tải tốt. Tuy nhiên, việc lắng đọng lithium không được kiểm soát sẽ gây ra sự phát triển của dendrite, gây nguy hiểm cho an toàn do xuyên qua bộ tách và gây ra chập điện.

Sau nhiều lần thất bại trong việc thương mại hóa pin lithium-metal sạc lại, việc nghiên cứu và sản xuất loại pin này vẫn tiếp tục. Năm 2010, một pin lithium-metal thử nghiệm với công suất 300Wh/kg đã được lắp đặt trên một chiếc xe điện thử nghiệm. DBM Energy, nhà sản xuất pin của Đức, tuyên bố pin có thể sạc được 2.500 chu kỳ, thời gian sạc ngắn và giá cả cạnh tranh nếu được sản xuất hàng loạt.

Một chiếc Audi A2 sử dụng loại pin này đã chạy hơn 450 km (284 dặm) từ Munich đến Berlin chỉ với một lần sạc. Có tin đồn rằng chiếc xe đã tự bốc cháy trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Mặc dù pin lithium-kim loại đã vượt qua các bài kiểm tra phê duyệt nghiêm ngặt, nhưng vấn đề an toàn lâu dài vẫn còn là một vấn đề vì các sợi kim loại có thể hình thành, gây ra hiện tượng đoản mạch.

Với 300Wh/kg, lithium-metal là một trong những loại pin sạc lithium có năng lượng riêng cao nhất. NCA trên Tesla S 85 đạt 250Wh/kg, LMO trên BMW i3 đạt 120Wh/kg và một loại pin tương tự trên Nissan Leaf đạt 80Wh/kg. Pin BMW i3 và Leaf được thiết kế để có độ bền cao; Tesla đạt được điều này bằng cách tăng kích thước pin.

Một giải pháp để ức chế sự phát triển của dendrite có thể sắp ra mắt. Để tạo ra các lớp lắng đọng không chứa dendrite trên pin Li-metal, các thử nghiệm đang được tiến hành bằng cách thêm nanodiamond làm phụ gia điện phân. Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý lithium ưu tiên hấp thụ lên bề mặt kim cương, tạo ra lớp lắng đọng đồng đều và cải thiện hiệu suất chu kỳ. Các thử nghiệm đã cho thấy chu kỳ ổn định trong 200 giờ, nhưng điều này không đủ để đảm bảo cho các ứng dụng tiêu dùng, chẳng hạn như điện thoại di động và máy tính xách tay. Cùng với công trình nghiên cứu, pin Li-metal có thể cần các biện pháp phòng ngừa khác, bao gồm chất điện phân không bắt lửa, vật liệu điện cực an toàn hơn và lớp ngăn cách chắc chắn hơn.

Tiến bộ đang được thực hiện với cực dương kim loại lithium và việc thương mại hóa đang trong tầm tay. Hình 1 minh họa mật độ năng lượng tế bào của các vật liệu cực dương khác nhau so với các vật liệu cực âm được chọn.

Hình 1: Mật độ năng lượng cho các vật liệu anot khác nhau
Nguồn: Andre et al, J Mater Chem A. (2015) 6709

Lithium thể rắn

Nhiều hoạt động R&D đang được thực hiện với các chất điện phân thể rắn khác nhau, chẳng hạn như chất điện phân gốc oxit vô cơ và gốc sunfua, cũng như chất điện phân rắn polyme và composite. Mỗi loại chất điện phân thể rắn đều có những thách thức để đạt đến độ chín muồi về công nghệ và vẫn chưa thể thấy được sự thống trị thị trường rõ ràng hay công nghệ tiên tiến nào.

Pin Li-ion hiện tại sử dụng anode than chì, giúp giảm năng lượng riêng. Công nghệ pin thể rắn thay thế than chì bằng lithium nguyên chất và thay thế chất điện phân lỏng ngâm trong màng ngăn xốp bằng polymer rắn hoặc màng ngăn gốm. Điều này tương tự như pin lithium-polymer năm 1970 đã bị ngừng sản xuất vì lý do an toàn và hiệu suất. (Xem BU-206: Li-polymer: Chất gây sốt )

Pin thể rắn có nhiều điểm tương đồng với pin lithium-kim loại, và các nhà khoa học đang cố gắng khắc phục vấn đề hình thành sợi kim loại (dendrite) ngay cả khi sử dụng polymer khô và màng ngăn gốm. Những thách thức khác bao gồm độ dẫn điện kém ở nhiệt độ thấp, khó chẩn đoán các vấn đề bên trong cell pin và số chu kỳ sạc thấp. Các nguyên mẫu pin thể rắn được cho là chỉ đạt 100 chu kỳ sạc.

Pin thể rắn hứa hẹn lưu trữ năng lượng gấp đôi so với pin Li-ion thông thường, nhưng khả năng tải có thể thấp, khiến chúng ít phù hợp với hệ thống truyền động điện và các ứng dụng đòi hỏi dòng điện cao. Các ứng dụng mục tiêu bao gồm cân bằng tải cho nguồn năng lượng tái tạo cũng như xe điện (EV) bằng cách tận dụng thời gian sạc ngắn mà loại pin này mang lại. Các phòng thí nghiệm nghiên cứu, bao gồm cả Bosch, dự đoán rằng pin thể rắn có thể được thương mại hóa vào năm 2020 và được ứng dụng trên ô tô vào năm 2025.

Chính phủ thưởng cho các công ty nghiên cứu về pin thể rắn bằng các khoản tài trợ lớn. Các báo cáo phòng thí nghiệm tự hào về năng lượng riêng cao và độ an toàn vượt trội nhờ không có chất điện phân dễ cháy, nhưng các chuyên gia về pin vẫn chưa tin tưởng vào khả năng thay thế Li-ion của nó. Một chuyên gia pin nổi tiếng cho biết: "Tôi không thể hiểu nổi tại sao pin lithium thể rắn lại có thể được sản xuất một cách hiệu quả về mặt chi phí để cạnh tranh với Li-ion bằng chất điện phân lỏng về chi phí trên mỗi kWh, tuổi thọ và độ an toàn." Pin thể rắn thường có trở kháng trong cao, hiệu suất nhiệt độ thấp kém và dễ bị dendrite phát triển.

Liti-lưu huỳnh (Li-S)

Nhờ trọng lượng nguyên tử thấp của lithium và trọng lượng vừa phải của lưu huỳnh, pin lithium-lưu huỳnh cung cấp năng lượng riêng rất cao, lên đến 550Wh/kg, gấp khoảng ba lần so với Li-ion. Li-S cũng có công suất riêng đáng nể, lên đến 2.500W/kg. Trong quá trình xả, lithium hòa tan khỏi bề mặt anode và tự đảo ngược khi sạc bằng cách mạ lại lên anode. Li-S có điện áp cell là 2,10V, mang lại đặc tính xả nhiệt độ lạnh tốt và có thể sạc lại ở -60°C (-76°F). Pin này thân thiện với môi trường; lưu huỳnh, thành phần chính, có sẵn rất nhiều. Người ta cho rằng giá thành của pin là 250 đô la Mỹ/kWh.

Pin Li-ion thông thường có cực dương than chì chứa các ion lithium, giống như cách khách sạn đặt phòng cho khách. Khi xả, pin giải phóng các ion đến cực âm, mô phỏng cảnh khách trả phòng vào buổi sáng. Trong pin Li-ion, than chì được thay thế bằng kim loại lithium, một chất xúc tác vừa đảm nhiệm vai trò điện cực vừa cung cấp ion lithium. Pin Li-ion loại bỏ "trọng lượng chết" bằng cách thay thế cực âm oxit kim loại được sử dụng trong pin Li-ion bằng lưu huỳnh rẻ hơn và nhẹ hơn. Lưu huỳnh có thêm ưu điểm là có thể đặt phòng kép cho các nguyên tử lithium, điều mà pin Li-ion không thể làm được.

Một thách thức với pin lithium-lưu huỳnh là tuổi thọ chu kỳ giới hạn, chỉ 40–50 lần sạc/xả do lưu huỳnh bị mất đi trong quá trình sạc bằng cách di chuyển ra khỏi cực âm và phản ứng với cực dương lithium. Các phòng thí nghiệm hiện báo cáo những cải tiến khi đạt được 200 chu kỳ. Các vấn đề khác bao gồm độ dẫn điện kém, sự suy giảm của cực âm lưu huỳnh theo thời gian và độ ổn định kém ở nhiệt độ cao. Từ năm 2007, các kỹ sư tại Stanford đã thử nghiệm với nanowire. Các thử nghiệm với graphene cũng đang được tiến hành và cho kết quả đầy hứa hẹn.

Ion natri (ion Na)

Natri-ion là một lựa chọn thay thế tiềm năng với chi phí thấp hơn Li-ion vì natri rẻ và dễ kiếm. Nếu bỏ qua lithium vào cuối những năm 1980, Na-ion có ưu điểm là có thể xả hoàn toàn mà không gặp phải ứng suất thường gặp ở các hệ thống pin khác. Pin cũng có thể được vận chuyển mà không cần tuân thủ Quy định về Hàng hóa Nguy hiểm . Một số cell pin có điện áp 3,6V, và năng lượng riêng khoảng 90Wh/kg với chi phí mỗi kWh tương tự như pin axit chì. Cần có những phát triển hơn nữa để cải thiện số chu kỳ và giải quyết hiện tượng giãn nở thể tích lớn khi pin được sạc đầy.

Liti-mangan-sắt-phosphat (LMFP)

Pin lithium-mangan-sắt-phosphate được cho là tăng dung lượng lên đến 15% so với hệ thống Li-Phosphate LiFePO4 thông thường . Điện áp hoạt động trung bình là 4,0V, năng lượng riêng là 135Wh/kg và tuổi thọ chu kỳ được cho là 5.000. Chi phí tiết kiệm và an toàn cũng là những lợi ích khác, khiến loại pin này trở thành ứng cử viên sáng giá cho hệ thống truyền động điện.

Điện cực pin khô

Maxwell Technology đã phát triển điện cực pin khô có thể tăng năng lượng riêng của pin Li-ion lên 50%, lên đến 300Wh/kg, với tiềm năng tiết kiệm chi phí sản xuất lên đến 500Wh/kg. Maxwell vay mượn phương pháp phủ khô từ các siêu tụ điện sản xuất . Dữ liệu hiệu suất vẫn chưa được công bố. Thông tin chi tiết sẽ được công bố sau khi Tesla, Inc. mua lại Maxwell.