Chúng ta hiện vẫn chưa thể điện khí hóa hoàn toàn ô tô, tàu thủy và máy bay, vì không có công nghệ. May mắn thay, một loại pin thuộc dự án SABERS của NASA có khả năng thay đổi điều đó, theo Fast Company.
Trước khi đi vào giải pháp, chúng ta hãy giải thích vấn đề: Về cơ bản, pin lithium ion, thứ hiện đang cung cấp năng lượng cho 99% xe điện (EV) và nhiều thiết bị điện tử, bao gồm ba lớp: lớp trên cùng được gọi là cực âm (làm bằng lithium được bỏ thêm coban hoặc một số vật liệu độc hại khác), lớp ở giữa là chất điện phân (một dạng chất lỏng dễ cháy) và lớp dưới cùng là điện cực (thường được làm bằng than chì).
Phản ứng hóa học giữa các lớp này giúp pin có thể sạc, lưu trữ và cung cấp điện, nhưng chúng cũng là nguồn gốc của nhiều vấn đề nghiêm trọng. Đầu tiên, ngay cả những loại pin lithium ion tốt nhất cũng có hiệu suất kém so với các nguồn năng lượng khác như nhiên liệu hóa thạch. Một nghiên cứu khoa học năm 2016 của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã dự đoán rằng phải đến năm 2045, con người mới có được những loại pin có mật độ năng lượng (năng lượng trên mỗi đơn vị trọng lượng) tương đương với nhiên liệu hóa thạch.
Điều đó đủ tệ, nhưng nó chỉ là một phần của vấn đề. Một điều nữa là tốc độ sạc băng của pin. Chiếc ô tô tốt nhất của Elon Musk - Tesla Model S Plaid - mất tới một giờ để sạc đầy trong khi bạn có thể đổ đầy một chiếc ô tô chạy bằng xăng chỉ trong vòng ba phút.
Ngoài ra, pin lithium ion cần nhiều bao bì làm mát, điều này càng làm tăng trọng lượng của chúng. Loại pin này cũng dễ bắt lửa hoặc phát nổ khi va chạm, một thuộc tính khiến nó cực kỳ khó tái chế. Các nguyên tố - như lithium hoặc coban - để làm ra pin lithium ion rất khan hiếm trên Trái đất. Theo Solomon Asfaw, giáo sư kinh tế năng lượng mặt trời và nhà nghiên cứu tại Đại học LUT ở Phần Lan, đến năm 2050, chúng ta sẽ cạn kiệt lithium. Loại pin này cũng đi kèm với một vấn đề địa chính trị, vì chúng chủ yếu do Trung Quốc kiểm soát .
Graphene có thể là vị cứu tinh
Tất cả những yếu tố kể trên làm cho pin lithium hiện tại không tốt cho ô tô, thiết bị điện tử hay thậm chí là toàn xã hội. Và chắc chắn, chúng không thể tốt cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe hơn như máy bay thương mại. Một bài báo nghiên cứu năm 2021 của một nhóm từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí tại Đại học Carnegie Mellon nói rằng các máy bay nhỏ địa phương sẽ yêu cầu pin có mật độ năng lượng ít nhất là 480 Wh/kg (Watt-giờ/kg). Tuy nhiên, pin lithium ion tốt nhất hiện nay chỉ có mật độ năng lượng là khoảng 260 Wh/kg.
Đây chính là lúc chúng ta cần đến SABERS (Solid-state Architecture Battery for Enhanced Rechargeability and Safety), một dự án đã được thực hiện trong nhiều năm theo chương trình nghiên cứu “rủi ro lớn, phần thưởng lớn” của NASA. Mục tiêu duy nhất của dự án này là phát triển một loại pin có thể làm cho các chuyến bay điện trở nên khả thi - chén thánh của thiết kế pin. Nếu NASA đạt được mục tiêu cao cả đó, thì mọi thứ sẽ thay đổi, từ phương tiện giao thông công cộng đến ô tô riêng cho đến điện thoại và máy tính xách tay.
Được phát triển tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA ở Cleveland, Ohio, bởi một nhóm kỹ sư do Tiến sĩ Rocco Viggiano đứng đầu, SABERS nhắm đến mục tiêu giúp pin trở nên mạnh mẽ, nhẹ, sạc nhanh, có thể mở rộng cho mọi ứng dụng và cực kỳ an toàn. Để đạt được mục tiêu đó, các nhà khoa học đã tìm cách loại bỏ tất cả các vật liệu độc hại và nguy hiểm khiến pin hiện tại trở nên quá kém hiệu quả và rủi ro khi đưa vào một chiếc máy bay chở hàng trăm người.
Viggiano giải thích rằng pin mới được tổ chức thành các tế bào được đóng gói có thể xếp chồng lên nhau. Mỗi tế bào bao gồm ba lớp: Cực dương là kim loại lithium (một chất rắn, khác với ion lithium dạng gel). Cực âm là sự kết hợp của lưu huỳnh và selen, các phân tử của chúng được sắp xếp trong một lưới graphene do NASA phát minh và cấp bằng sáng chế. Giữa hai cực này là chất điện phân, một chất rắn độc quyền, hiện vẫn là một bí mật, không chứa các thành phần dễ cháy như của pin lithium ion.
Kết quả là một loại pin mới có giá cả phải chăng và có thể sản xuất hàng loạt, Viggiano cho biết. Và pin mới cũng một thứ không dễ cháy nổ. Trên thực tế, nó an toàn đến mức các thử nghiệm cho thấy nó có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi bị hư hỏng nặng do va chạm, một yếu tố quan trọng đối với việc sử dụng trong ngành hàng không cũng như ô tô và xe tải.
-
- Các nhà nghiên cứu của NASA John Connell và Yi Lin (ngồi) đang sử dụng một vôn kế tuần hoàn để kiểm tra mức hiệu suất của một cực âm hoàn toàn mới mà nhóm SABERS đã tạo ra cho pin thể rắn của họ. (Ảnh: NASA)
Kết quả vượt quá mong đợi nhưng chúng ta vẫn còn nhiều việc phải làm
Kết quả của lần kiểm tra pin thể rắn đầu tiên ấn tượng đến mức khiến Viggiano và nhóm của ông cũng như những người khác trong ngành ngạc nhiên và thích thú. Họ biết được rằng ở mức tiêu thụ điện năng tối đa, nhiệt độ hoạt động của pin không vượt quá 150 độ C. Nhiệt độ hoạt động thấp giúp cho pin SABERS không yêu cầu các lớp làm lạnh giống như của pin lithium ion, do đó chúng nhỏ gọn hơn, có thể thay đổi quy mô và nhẹ hơn nhiều.
Nhưng kết quả gây sốc nhất là mật độ năng lượng của pin SABERS lên tới 500 Wh/kg, lớn gấp đôi mức 260 Wh/kg của pin lithium ion trong những chiếc ô tô tốt nhất và vượt qua mức 480 Wh/kg cần cho các chuyến bay. Viggiano nói: “Nó vượt xa khả năng của pin lithium-ion được coi là hiện đại nhất”. Như vậy, nếu được phát triển đầy đủ, pin dựa trên công nghệ SABERS cuối cùng có thể mở rộng phạm vi hoạt động của ô tô lên 1.000 dặm, vượt xa ô tô chạy xăng và giảm thời gian sạc.
Tuy pin thể rắn của NASA là một yếu tố thay đổi cuộc chơi tiềm năng, nhưng xe điện sẽ bị diệt vong nếu chúng ta không hợp lý hóa việc sản xuất chúng và suy nghĩ lại về tính di động nói chung ngay bây giờ. Thực tế là, bất chấp những tiến bộ, những phát minh như SABERS vẫn còn rất xa vời. Hiroaki Koda, cựu giám đốc Toyota hiện đang chỉ đạo liên doanh pin Panasonic-Toyota Prime Planet, gần đây đã nói với Financial Times rằng pin thể rắn thực tế sẽ không bắt đầu xuất hiện cho đến năm 2032. Tuy nhiên, Viggiano tin rằng điều này sẽ xảy ra sớm hơn và dự đoán rằng những chiếc xe sản xuất giới hạn với pin thể rắn có thể được tung ra thị trường trong khoảng thời gian từ 2025 đến 2028.
Mặc dù vậy, các vấn đề cơ bản liên quan đến giao thông vận tải lớn hơn những gì SABERS có thể giải quyết. Chúng ta cần chính sách công và quy hoạch thành phố thúc đẩy việc chia sẻ phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu vận chuyển đồng thời giảm sản xuất CO2. Pin thể rắn, động cơ đốt hydro, pin nhiên liệu hydro, động cơ nhiệt hạch nhỏ gọn và truyền năng lượng không dây đều có chỗ đứng trong tương lai, nhưng nghiên cứu xung quanh những công nghệ này nên phát triển cùng với các phương pháp tiếp cận có hệ thống hơn cho vấn đề.
Văn Thiện
