MỸ – Một nhóm nghiên cứu đa tổ chức do Phó giáo sư Hailong Chen thuộc viện Georgia Institute of Technology đứng đầu, đã phát triển một loại catot (1) mới, giá thành thấp có thể cải thiện pin lithium-ion (LIB – lithium-ion batteries) (2) – có khả năng chuyển đổi thị trường xe điện (EV – electric vehicle) và hệ thống lưu trữ năng lượng ở quy mô lớn.
(1) Catot và Anot (hay Cathode và Anode): Anot là điện cực nơi xảy ra phản ứng oxy hóa (mất electron cho các chất hoạt động điện). Catot là điện cực nơi xảy ra phản ứng khử (nhận electron cho các chất hoạt động điện).
(2) Pin lithium-ion: là một loại pin sạc. Trong quá trình sạc, các ion Lithi chuyển động từ cực dương sang cực âm và ngược lại trong quá trình xả.

Hailong Chen, Phó giáo sư tại trường Kỹ thuật Cơ khí George W. Woodruff (George W. Woodruff School of Mechanical Engineering), nói rằng: “Trong một thời gian dài, mọi người đã tìm kiếm một giải pháp thay thế bền vững hơn, chi phí thấp hơn cho các vật liệu catot hiện nay. Tôi nghĩ chúng ta đã có một giải pháp”.

Vật liệu mang tính cách mạng, sắt clorua (FeCl3), có giá thành chỉ bằng 1-2% vật liệu catot thông thường và có thể lưu trữ cùng một lượng điện. Vật liệu catot ảnh hưởng đến dung lượng, năng lượng và hiệu suất, đóng vai trò chính trong hiệu suất, tuổi thọ và giá cả phải chăng của pin.

Phó giáo sư Hailong cho biết thêm: “Cực âm của chúng tôi có thể là một bước ngoặt. Nó sẽ cải thiện đáng kể thị trường xe điện và toàn bộ thị trường pin lithium-ion.”

Được tập đoàn Sony thương mại hóa lần đầu tiên vào đầu những năm 1990, pin LIB đã tạo nên một sự bùng nổ trong các thiết bị điện tử cá nhân, như điện thoại thông minh và máy tính bảng. Công nghệ này cuối cùng đã tiến triển để cung cấp nhiên liệu cho xe điện, cung cấp nguồn năng lượng đáng tin cậy, có thể sạc lại và mật độ cao. Nhưng không giống như các thiết bị điện tử cá nhân, những người dùng năng lượng quy mô lớn như xe điện đặc biệt nhạy cảm với chi phí của pin LIB.

Pin hiện chiếm khoảng 50% tổng chi phí của một chiếc xe điện, khiến những chiếc xe năng lượng sạch này đắt hơn so với những chiếc xe có động cơ đốt trong thải ra khí nhà kính. Phát minh của nhóm Phó giáo sư Hailong có thể thay đổi điều đó.

Phát triển một loại pin tốt hơn
So với pin kiềm và pin axit chì kiểu cũ, pin LIB lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong một thiết bị nhỏ hơn và cung cấp năng lượng cho thiết bị lâu hơn giữa các lần sạc. Nhưng pin LIB chứa các kim loại đắt tiền, bao gồm các nguyên tố như coban, niken và chúng có chi phí sản xuất cao.

Cho đến nay, chỉ có bốn loại catot được thương mại hóa thành công cho pin LIB. Loại catot của Phó giáo sư Hailong sẽ là loại thứ năm và nó sẽ đại diện cho một bước tiến lớn trong công nghệ pin: sự phát triển của pin LIB hoàn toàn ở trạng thái rắn.

Các pin LIB thông thường sử dụng chất điện phân lỏng để vận chuyển các ion lithium nhằm lưu trữ và giải phóng năng lượng. Chúng có giới hạn cứng về lượng điện có thể lưu trữ và chúng có thể rò rỉ và bắt lửa. Nhưng các pin LIB hoàn toàn ở trạng thái rắn sử dụng chất điện phân rắn, tăng cường hiệu suất và độ tin cậy của pin, đồng thời làm cho pin an toàn hơn và có khả năng chứa nhiều năng lượng hơn. Những loại pin này, vẫn đang trong giai đoạn phát triển và thử nghiệm, sẽ là một cải tiến vượt trội.

Khi các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất trên khắp thế giới chạy đua để biến công nghệ trạng thái rắn thành hiện thực, Phó giáo sư Hailong và các cộng sự của ông đã phát triển một giải pháp bền vững và giá cả phải chăng. Với catot bằng vật liệu FeCl3, chất điện phân rắn và anot (anode) kim loại lithium, chi phí cho toàn bộ pin chỉ bằng 30-40% so với pin LIB hiện tại.

Phó giáo sư Hailong nói rằng: “Điều này không chỉ có thể làm cho xe điện có giá thành thấp hơn nhiều so với xe động cơ đốt trong, mà còn cung cấp một hình thức lưu trữ năng lượng ở quy mô lớn mới và đầy triển vọng, tăng cường khả năng phục hồi của lưới điện. Ngoài ra, cực âm của chúng tôi sẽ cải thiện đáng kể tính bền vững và sự ổn định của chuỗi cung ứng trên thị trường xe điện”.

Khởi đầu vững chắc cho khám phá mới
Sự quan tâm của Phó giáo sư Hailong đối với FeCl3 như một vật liệu catot bắt nguồn từ nghiên cứu của phòng thí nghiệm về vật liệu điện phân thể rắn. Bắt đầu từ năm 2019, phòng thí nghiệm của ông đã cố gắng chế tạo pin thể rắn bằng cách sử dụng chất điện phân rắn gốc clorua với catot gốc oxit thương mại truyền thống. Nhưng không thành công – vật liệu catot và chất điện phân không hòa hợp.

Các nhà nghiên cứu cho rằng catot gốc clorua có thể kết hợp tốt hơn với chất điện phân clorua để mang lại hiệu suất pin tốt hơn.

Phó giáo sư Hailong cho biết: “Chúng tôi đã tìm thấy một ‘ứng cử viên’ (FeCl3) đáng để thử, vì cấu trúc tinh thể của nó có khả năng phù hợp để lưu trữ và vận chuyển các ion Lithi, và may mắn thay, nó hoạt động như chúng tôi mong đợi”.

Hiện nay, catot được sử dụng phổ biến nhất trong xe EV là oxit đồng thời cần một lượng lớn niken và coban đắt tiền, những nguyên tố nặng có thể gây độc hại và gây ra mối nguy hại cho môi trường. Ngược lại, catot của nhóm Phó giáo sư Hailong chỉ chứa sắt (Fe) và clo (Cl) – những nguyên tố dồi dào, giá cả phải chăng và được sử dụng rộng rãi có trong thép và muối ăn.

Trong các thử nghiệm ban đầu, vật liệu FeCl3 được phát hiện có hiệu suất tốt hoặc tốt hơn các catot đắt tiền khác. Ví dụ, nó có điện áp hoạt động cao hơn catot LiFePO4 (lithium iron phosphate, hay LFP) thường được sử dụng, đây là lực điện mà pin cung cấp khi được kết nối với thiết bị, tương tự như áp suất nước từ vòi tưới vườn.

Công nghệ này có thể mất chưa đầy năm năm nữa mới có thể thương mại hóa trong lĩnh vực xe điện. Theo Phó giáo sư Hailong, hiện tại nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục nghiên cứu vật liệu FeCl3 và các vật liệu liên quan.

Phó giáo sư Hailong nói rằng: “Chúng tôi muốn tạo ra các vật liệu hoàn hảo nhất có thể trong phòng thí nghiệm và hiểu được các cơ chế hoạt động cơ bản. Nhưng chúng tôi sẵn sàng mở rộng quy mô công nghệ và đưa nó vào các ứng dụng thương mại”.

Để xem các tin bài khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online