Lưu ý của biên tập viên: Công nghệ điện là tương lai của trái đất xanh, công nghệ pin là nền tảng của công nghệ điện và là chìa khóa hạn chế sự phát triển quy mô lớn của công nghệ điện. Công nghệ pin chủ đạo hiện nay là pin lithium-ion, có mật độ năng lượng tốt và hiệu suất cao. Tuy nhiên, lithium là nguyên tố hiếm, giá thành cao và nguồn lực hạn chế. Đồng thời, khi việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng tăng, mật độ năng lượng của pin lithium-ion không còn đủ. làm thế nào để đáp lại? Mayank Jain đã tổng hợp một số công nghệ pin có thể được sử dụng trong tương lai. Bài viết gốc đã được đăng trên Medium với tiêu đề: Tương lai của công nghệ pin
Trái đất tràn đầy năng lượng và chúng ta đang làm mọi thứ có thể để nắm bắt và tận dụng tốt nguồn năng lượng đó. Mặc dù chúng ta đã làm tốt hơn trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo nhưng chúng ta vẫn chưa đạt được nhiều tiến bộ trong việc lưu trữ năng lượng.
Hiện nay, tiêu chuẩn cao nhất của công nghệ pin là pin lithium-ion. Loại pin này dường như có mật độ năng lượng tốt nhất, hiệu suất cao (khoảng 99%) và tuổi thọ cao.
Vậy có chuyện gì vậy? Khi năng lượng tái tạo mà chúng ta thu được tiếp tục tăng lên, mật độ năng lượng của pin lithium-ion không còn đủ nữa.
Vì chúng ta có thể tiếp tục sản xuất pin theo lô nên điều này dường như không phải là vấn đề lớn nhưng vấn đề là lithium là kim loại tương đối hiếm nên giá thành của nó không thấp. Mặc dù chi phí sản xuất pin đang giảm nhưng nhu cầu lưu trữ năng lượng cũng tăng nhanh.
Chúng ta đã đạt đến điểm mà một khi pin lithium ion được sản xuất, nó sẽ có tác động rất lớn đến ngành năng lượng.
Mật độ năng lượng cao hơn của nhiên liệu hóa thạch là một thực tế và đây là yếu tố ảnh hưởng rất lớn cản trở quá trình chuyển đổi sang phụ thuộc hoàn toàn vào năng lượng tái tạo. Chúng ta cần pin phát ra nhiều năng lượng hơn trọng lượng của chúng ta.
Pin lithium-ion hoạt động như thế nào
Cơ chế hoạt động của pin lithium tương tự như pin hóa học AA hoặc AAA thông thường. Chúng có cực dương và cực âm và chất điện phân ở giữa. Không giống như pin thông thường, phản ứng phóng điện trong pin lithium-ion có thể đảo ngược nên pin có thể được sạc lại nhiều lần.
Cực âm (+ cực) được làm bằng lithium iron phosphate, cực dương (-terminal) được làm bằng than chì và than chì được làm bằng carbon. Điện chỉ là dòng điện tử. Những loại pin này tạo ra điện bằng cách di chuyển các ion lithium giữa cực dương và cực âm.
Khi được tích điện, các ion sẽ di chuyển về cực dương và khi phóng điện, các ion sẽ chạy về cực âm.
Sự chuyển động của các ion này gây ra sự chuyển động của các electron trong mạch, do đó chuyển động của ion lithium và chuyển động của electron có liên quan với nhau.
Pin cực dương silicon
Nhiều hãng ô tô lớn như BMW đã và đang đầu tư phát triển pin anode silicon. Giống như pin lithium-ion thông thường, những loại pin này sử dụng cực dương lithium, nhưng thay vì cực dương dựa trên carbon, chúng sử dụng silicon.
Là cực dương, silicon tốt hơn than chì vì nó cần 4 nguyên tử carbon để chứa lithium và 1 nguyên tử silicon có thể chứa 4 ion lithium. Đây là một nâng cấp lớn… giúp silicon bền hơn than chì gấp 3 lần.
Tuy nhiên, việc sử dụng lithium vẫn là con dao hai lưỡi. Vật liệu này tuy đắt tiền nhưng việc chuyển cơ sở sản xuất sang tế bào silicon cũng dễ dàng hơn. Nếu pin khác hoàn toàn, nhà máy sẽ phải thiết kế lại hoàn toàn, điều này sẽ khiến sức hấp dẫn của việc chuyển đổi giảm đi đôi chút.
Cực dương silicon được chế tạo bằng cách xử lý cát để tạo ra silicon nguyên chất, nhưng vấn đề lớn nhất mà các nhà nghiên cứu hiện gặp phải là cực dương silicon phồng lên khi sử dụng. Điều này có thể khiến pin xuống cấp quá nhanh. Việc sản xuất hàng loạt cực dương cũng rất khó khăn.
Pin graphene
Graphene là một loại vảy carbon sử dụng chất liệu tương tự như bút chì nhưng tốn rất nhiều thời gian để gắn than chì vào vảy. Graphene được ca ngợi vì hiệu suất tuyệt vời trong nhiều trường hợp sử dụng và pin là một trong số đó.
Một số công ty đang nghiên cứu loại pin graphene có thể sạc đầy trong vài phút và xả nhanh hơn 33 lần so với pin lithium-ion. Điều này có giá trị lớn đối với xe điện.
Pin xốp
Hiện nay, pin truyền thống là hai chiều. Chúng được xếp chồng lên nhau như pin lithium hoặc cuộn lại như pin AA hoặc lithium-ion thông thường.
Pin bọt là một khái niệm mới liên quan đến chuyển động của điện tích trong không gian 3D.
Cấu trúc 3 chiều này có thể tăng tốc thời gian sạc và tăng mật độ năng lượng, đây là những phẩm chất cực kỳ quan trọng của pin. So với hầu hết các loại pin khác, pin xốp không có chất điện phân lỏng có hại.
Pin bọt sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng. Chất điện phân này không chỉ dẫn các ion lithium mà còn cách điện cho các thiết bị điện tử khác.
Cực dương giữ điện tích âm của pin được làm bằng đồng xốp và được phủ bằng vật liệu hoạt động cần thiết.
Sau đó, một chất điện phân rắn được áp dụng xung quanh cực dương.
Cuối cùng, cái gọi là “dán tích cực” được sử dụng để lấp đầy các khoảng trống bên trong pin.
Pin oxit nhôm
Những loại pin này có mật độ năng lượng lớn nhất so với bất kỳ loại pin nào. Năng lượng của nó mạnh hơn và nhẹ hơn pin lithium-ion hiện tại. Một số người cho rằng những cục pin này có thể cung cấp quãng đường 2.000 km cho xe điện. Khái niệm này là gì? Để tham khảo, phạm vi bay tối đa của Tesla là khoảng 600 km.
Vấn đề với những loại pin này là chúng không thể sạc được. Chúng tạo ra nhôm hydroxit và giải phóng năng lượng thông qua phản ứng giữa nhôm và oxy trong chất điện phân gốc nước. Việc sử dụng pin tiêu thụ nhôm làm cực dương.
pin natri
Hiện nay, các nhà khoa học Nhật Bản đang nghiên cứu chế tạo loại pin sử dụng natri thay vì lithium.
Điều này sẽ mang tính đột phá vì về mặt lý thuyết, pin natri có hiệu suất cao hơn 7 lần so với pin lithium. Một lợi thế lớn khác là natri là nguyên tố giàu thứ sáu trong trữ lượng của trái đất, so với lithium, một nguyên tố hiếm.
Thời gian đăng: Dec-02-2019