Pin Vẫn Chưa Tốt Lắm, Nhưng Các Nhà Nghiên Cứu Đang Nỗ Lực

Pin tốt hơn đồng nghĩa với sản phẩm tốt hơn. Chúng mang lại cho chúng ta những chiếc điện thoại thông minh bền bỉ hơn, phương tiện đi lại điện không lo lắng và có thể, lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn cho các tòa nhà quy mô lớn như trung tâm dữ liệu. Nhưng công nghệ pin vẫn chậm chạp trong việc tiến triển, do cả quá trình hóa học và những thách thức về việc thương mại hóa các thiết kế pin mới. Việc đưa các thí nghiệm pin hứa hẹn nhất từ phòng thí nghiệm ra thị trường vẫn rất khó khăn.

Điều đó chưa làm dừng lại người ta. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu và nhà công nghệ đã đề xuất nhiều cách để tinh chỉnh vật liệu trong pin lithium có thể sạc lại – loại pin trong điện thoại của bạn ngay bây giờ – để cải thiện mật độ pin và, quan trọng hơn, an toàn cho pin. Công nghệ này sẽ không kịp ra thị trường vào thời điểm ra mắt Sản phẩm Lớn Tiếp Theo, nhưng khi chúng ta nhìn vào điện thoại rót xuống giọt pin cuối cùng vào cuối một ngày dài, chúng ta có thể mơ về tương lai.

Cơ Bản về Pin

Công nghệ pin phức tạp có thể khiến người thông thạo công nghệ cảm thấy như họ cần một bằng Tiến sĩ về hóa học để hiểu rõ, vì vậy đây là một cố gắng để phân tích nó. Hầu hết các thiết bị cầm tay và điện tử di động sử dụng pin lithium ion, gồm có anot, catot, bộ ngăn cách, điện phân, dòng điện dương và dòng điện âm. Anot và catot là "đầu" của pin; một sạc được tạo ra và lưu trữ khi các ion lithium (được mang bởi điện phân) di chuyển giữa hai đầu của pin.

Lithium ion vẫn được coi là một trong những giải pháp pin nhẹ nhất và hiệu quả nhất. Nhưng do nó chỉ có mật độ năng lượng vật lý có hạn, có các giới hạn về việc nó có thể giữ một lượng sạc nhất định. Đôi khi nó cũng nguy hiểm: nếu có điều gì đó xảy ra với bộ ngăn cách và các điện cực tiếp xúc với nhau, pin sẽ bắt đầu nóng lên. Và điện phân lỏng rất dễ cháy. Điều này thường là nguyên nhân dẫn đến pin phát nổ. "Tai nạn xe [điện], điện thoại Samsung – đó chủ yếu là vấn đề run-away nhiệt," Partha Mukherjee, người nghiên cứu lưu trữ và chuyển đổi năng lượng tại trường cơ khí Đại học Purdue nói.

Một số giải pháp được đang làm việc hiện nay giới thiệu các vật liệu thay thế để tăng hiệu quả và ổn định nhiệt của pin – ví dụ, sử dụng hạt nano silic cho anot thay vì graphite cacbon thông thường, hoặc sử dụng điện phân rắn thay vì điện phân lỏng.

Anot Silic

Thường, vật liệu anot graphite được sử dụng trong pin lithium ion. Nhưng các hạt silic vi mô đã xuất hiện như một lựa chọn thay thế hiệu quả hơn cho graphite – và ít nhất một công ty tin rằng công nghệ này sẽ đến thị trường trong năm tới.

"Một nguyên tử silic có thể lưu trữ khoảng 20 lần nhiều lithium hơn so với nguyên tử cacbon," Gene Berdichevsky, CEO của Sila Nanotechnologies có trụ sở tại California và một nhân viên sớm của Tesla nói. "Đơn giản, cần ít nguyên tử hơn để lưu trữ lithium, vì vậy bạn có thể có một lượng vật liệu nhỏ hơn lưu trữ cùng lượng năng lượng" so với vật liệu graphite thông thường. Ông nói Sila Nano sẽ ra mắt sản phẩm pin đầu tiên dành cho thị trường tiêu dùng vào đầu năm sau. Khi ra mắt, Berdichevsky mong đợi thấy cải thiện 20% trong tuổi thọ pin so với pin lithium ion truyền thống.

Người khác đã theo đuổi anot silic như một giải pháp cho các vấn đề pin hiện nay; có một liên minh toàn bộ dành cho mục tiêu này, trong đó có các Viện nghiên cứu Quốc gia Argonne, Sandia và Lawrence Berkeley. Berdichevsky và đồng sáng lập và CTO của Sila, Gleb Yushin, nói điểm khác biệt của nghiên cứu của họ là họ tin rằng họ đã giải quyết vấn đề "mở rộng". Silic có xu hướng phình to, về cơ bản làm hỏng pin sau mỗi lần sạc. Công nghệ của Sila bao gồm việc đặt các hạt silic vi mô vào cấu trúc cầu hình cầu nhỏ bên trong pin để tạo chỗ trống cho silic phình to.

Có vẻ như một giải pháp đơn giản, nhưng Berdichevsky nói rằng điều này không hề đơn giản. "Chúng tôi đã mất bảy năm và 30,000 lần thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, không phóng đại, để phát triển phương pháp tạo cấu trúc này," ông nói. Berdichevsky cũng nói rằng thách thức trong việc phát triển bất kỳ công nghệ pin nào là tạo ra một cái gì đó "không làm tốt hơn một điều trong khi làm tồi điều khác, điều đó là bản chất của học thuật vì nó diễn ra trong phòng thí nghiệm."

Kim loại Lithium

Pin được làm từ kim loại lithium đang phải vượt qua một danh tiếng không mấy tốt: ngay sau khi chúng được thương mại hóa vào cuối những năm 1980 bởi Moli Energy, chúng gây ra đủ vụ cháy để đòi hỏi phải rút lại toàn bộ các cell đang có trên thị trường. Nhưng Mukherjee tại Đại học Purdue và những người khác cho biết, pin lithium kim loại đang được quan tâm trở lại trong vòng 5 năm qua. Các thiết kế mới đang xuất hiện sử dụng kim loại lithium cho phần ânôt âm của pin thay vì graphite, giúp pin có thể giữ được lượng sạc cao hơn.

Nhiều sự quan tâm này đến từ pin có khả năng giữ năng lượng cao hơn đã được thúc đẩy bởi sự phát triển của ô tô điện; như các nhà nghiên cứu của ARPA-E đã chú ý trong bài báo được xuất bản trên tạp chí Nature vào tháng 12 năm ngoái, "nền tảng vật liệu lithium ion hiện tại" có thể sẽ không đáp ứng được các mục tiêu gói pin ô tô điện của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ về trọng lượng, mật độ năng lượng và chi phí vào năm 2022. Trong khi đó, việc xây dựng cell với điện cực kim loại lithium có thể tăng mật độ năng lượng của các pin tương tự lên đến 50%.

Tuần trước, các nhà nghiên cứu từ Đại học Yale đã công bố một bài báo trên tạp chí khoa học Proceedings of the National Academy of Sciences mô tả một phương pháp mới trong việc làm việc với điện cực kim loại lithium. Hailaing Wang, người điều lead nghiên cứu, mô tả nó như là "một cách thức cố gắng sử dụng từ 80 đến 90 phần trăm của lithium" trong pin, còn được biết đến với tên gọi là deep-cycling. Trước khi lắp ráp các pin, các nhà nghiên cứu đã ngâm một bộ phân cách sợi thủy tinh vào dung dịch nitrat lithium. Sau đó, trong khi pin hoạt động, sự giải phóng chậm chặp của nitrat lithium và phân hủy của nó được phát hiện làm "cải thiện đáng kể hiệu suất của điện cực kim loại lithium."

Nhưng vấn đề lớn nhất với kim loại lithium vẫn là tạo ra các pin cực kỳ dễ bay hơi, gây nhiều nhiệt độ. Wang và đội ngũ của ông đã thành công trong việc chứng minh rằng sự kết hợp công nghệ này - lithium kim loại cộng với các chất bảo vệ - hoạt động trong phòng thí nghiệm. Sử dụng thực tế lại là vấn đề khác. "Chúng tôi đang hoạt động ở quy mô thấp và điều kiện được kiểm soát tốt, nên an toàn không phải là mối quan tâm," Wang nói qua điện thoại. Ông mô tả đó là "tiến bộ tốt, nhưng vẫn cách xa việc thương mại hóa."

Trạng thái rắn

Những người am hiểu về pin đôi khi sử dụng "trạng thái rắn" và "lithium kim loại" như nhau, vì chúng có thể áp dụng cho các phần khác nhau của pin và cùng tồn tại trong cấu trúc pin. Và, giống như lithium kim loại, pin trạng thái rắn đã thu hút sự chú ý ngày càng nhiều trong những năm gần đây vì khả năng sử dụng trong các xe điện. Một pin trạng thái rắn là một pin thay thế điện cực của pin, điện phân lỏng của nó hoặc cả hai, bằng một loại chất rắn như gốm hoặc thủy tinh. Bởi vì bạn đang thay thế các vật liệu dễ cháy (bạn có vui không khi bạn chú ý từ đầu tiên của bài học?) bằng một thứ rắn, ý tưởng là pin có thể chịu được nhiệt độ cao hơn, điều này lý thuyết có nghĩa là dung lượng cao hơn.

Một công ty có trụ sở tại Woburn, Massachusetts, đang có một cách tiếp cận hơi khác. Ionic Materials đang thay thế điện phân lỏng bằng một polymer dẫn ion, hoặc nhựa, cũng là một chất chống cháy.

"Mọi người đều đang làm việc trên các biến thể của anot và catot, nhưng rào cản thực sự [đối với sự tiến bộ của pin] là điện phân, đó là điều chúng tôi đang cố gắng cải thiện," Mike Zimmerman, CEO của Ionic Materials, nói. Ông lưu ý rằng gốm và thủy tinh có thể giòn và có thể phát ra khí khi tiếp xúc với độ ẩm, vì vậy ông tin rằng những chất rắn đó không phải là giải pháp tốt nhất cho pin trạng thái rắn. Một trong những nhà đầu tư chủ chốt của Ionic Materials nói với Steven Levy của MYTOUR năm ngoái rằng công ty đang cố gắng kết hợp những điểm mạnh của pin kiềm giá rẻ nhưng mạnh mẽ với tính năng sạc lại của pin lithium ion. Nếu công ty có thể giải mã được công thức đó, nó tin rằng có thể cung cấp điện cho toàn bộ lưới thông minh bằng công nghệ của mình.

Tuy vậy, điều đó không có nghĩa là pin trạng thái rắn sẽ tràn ngập thị trường trong thời gian sớm. Năm ngoái, Toyota thừa nhận rằng họ gặp vấn đề trong việc phát triển pin trạng thái rắn có dung lượng cao. Sau đó, vào tháng 4, một phó chủ tịch cấp cao về nghiên cứu và kỹ thuật tại Nissan nói rằng việc phát triển pin trạng thái rắn "gần như không tồn tại ở giai đoạn này."

Nhưng một động thái khác có thể mang lại lợi thế cho Ionic Materials: công ty nói rằng họ không dự định sản xuất riêng của mình, mà thay vào đó muốn cấp phép công nghệ của mình cho các nhà sản xuất pin hiện có. Đối với hầu hết các nhà đổi mới trong công nghệ pin, ngay cả khi họ giải quyết được vấn đề về vật liệu, hóa học và an toàn, việc xây dựng cơ sở sản xuất pin với quy mô lớn là một thách thức lớn. Dường như, trừ khi bạn có ảnh hưởng của Elon Musk, bạn không thể chỉ đơn giản xây dựng Gigafactory khổng lồ của riêng bạn.

Những câu chuyện tuyệt vời khác từ MYTOUR

Câu chuyện chưa kể về thời gian Robert Mueller trong chiến đấu