Trong cuộc đua năng lượng sạch toàn cầu, sự phụ thuộc vào lithium đang làm gia tăng áp lực về môi trường, chi phí và chuỗi cung ứng. Một nghiên cứu mới từ Ireland cho thấy natri- nguyên tố dồi dào trong muối biển - có thể mở ra thế hệ pin bền vững hơn khi được kết hợp với lithium…

Thế giới hiện đại ngày nay vận hành nhờ pin. Từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay, xe điện cho tới hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo, hầu như mọi công nghệ của thời đại số đều phụ thuộc vào khả năng lưu trữ điện năng hiệu quả.

Trong hơn một thập kỷ qua, pinlithium-ion đã trở thành công nghệ thống trị nhờ khả năng lưu trữ năng lượng lớn trong kích thước nhỏ gọn. Đây là lý do khiến loại pin này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử tiêu dùng cũng như ngành công nghiệp xe điện đang tăng trưởng bùng nổ.

Tuy nhiên, phía sau thành công đó là hàng loạt vấn đề ngày càng khó bỏ qua. Lithium là tài nguyên không phân bố đồng đều trên thế giới mà tập trung chủ yếu tại một số khu vực như Australia, Nam Mỹ hay Trung Quốc. Việc khai thác lithium cũng đòi hỏi lượng nước khổng lồ, tiêu tốn năng lượng và gây ra nhiều tranh cãi liên quan tới môi trường.

NATRI - NGUYÊN TỐ DỒI DÀO NHƯNG “YẾU THẾ” HƠN LITHIUM

Trong bối cảnh cạnh tranh địa chính trị ngày càng gay gắt, lithium dần được xem như một loại “khoáng sản chiến lược”, tương tự dầu mỏ trong thế kỷ trước. Điều này khiến các chuỗi cung ứng pin toàn cầu liên tục chịu áp lực về giá cả, nguồn cung và rủi ro chính trị.

Chính vì vậy, các nhà khoa học trên khắp thế giới đang nỗ lực tìm kiếm những vật liệu thay thế có chi phí thấp hơn, dồi dào hơn và bền vững hơn.

Pin sodium-ion vì thế được kỳ vọng có thể giảm đáng kể áp lực khai thác tài nguyên và chi phí sản xuất pin trong tương lai. Tuy nhiên, pin natri vẫn tồn tại một nhược điểm lớn khiến nó chưa thể thay thế pin lithium-ion đó là mật độ năng lượng thấp hơn.

Mật độ năng lượng là chỉ số cho biết lượng điện năng pin có thể lưu trữ so với trọng lượng hoặc kích thước của nó. Đây là yếu tố cực kỳ quan trọng đối với các thiết bị di động và phương tiện giao thông điện hóa.

Nếu xe điện sử dụng loại pin có mật độ năng lượng thấp, quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc sẽ giảm đáng kể hoặc xe phải mang theo bộ pin lớn và nặng hơn. Tương tự, điện thoại, laptop hay máy tính bảng cũng sẽ trở nên cồng kềnh hơn.

Đối với giới nghiên cứu, đây là một nghịch lý khó giải quyết: natri rất bền vững và rẻ, nhưng hiệu suất lại chưa đủ mạnh để đáp ứng yêu cầu của nền kinh tế điện hóa hiện đại.

Theo Syed Abdul Ahad - nhà nghiên cứu thuộc Khoa Hóa học của Đại học Limerick - chính nghịch lý này đã thôi thúc nhóm của ông tìm ra cách tiếp cận khác.

Thay vì cố gắng để natri cạnh tranh trực tiếp với lithium, nhóm nghiên cứu đặt câu hỏi liệu hai nguyên tố này có thể phối hợp với nhau hay không. Ý tưởng ấy được lấy cảm hứng từ triết lý “âm - dương”, nơi những yếu tố tưởng chừng đối lập thực chất có thể bổ sung cho nhau. Trong cách ví von của nhóm nghiên cứu, natri đại diện cho tính dồi dào nhưng “yếu” hơn, còn lithium tượng trưng cho hiệu suất mạnh mẽ nhưng khan hiếm và đắt đỏ hơn.

Từ đó, họ phát triển loại pin “dual cation” - pin song cation - sử dụng đồng thời cả ion natri và ion lithium trong cùng một hệ thống lưu trữ năng lượng. Đây được xem là một hướng đi mới trong công nghệ pin, bởi phần lớn các hệ thống hiện nay thường chỉ dựa vào một loại ion chính.

“VŨ ĐIỆU HÓA HỌC” GIÚP PIN HOẠT ĐỘNG HIỆU QUẢ HƠN

Để kiểm chứng ý tưởng, nhóm nghiên cứu trước tiên tạo ra một dạng pin thử nghiệm gọi là “half-cell”, tức chỉ có một điện cực được ngâm trong chất điện phân thay vì đầy đủ hai điện cực như pin hoàn chỉnh. Trong hệ thống này, chất điện phân chủ yếu chứa natri nhưng được bổ sung thêm một lượng nhỏ muối lithium.

Kết quả đạt được khiến các nhà khoa học bất ngờ khi dung lượng lưu trữ của pin gần như tăng gấp đôi so với các loại pin sodium-ion tiên tiến hiện nay. Đồng thời, pin vẫn duy trì được sự ổn định qua khoảng 1.000 chu kỳ sạc - xả ở cường độ dòng điện cao.

Trong ngành nghiên cứu pin natri, đây là con số rất đáng chú ý. Trước đó, nhiều mẫu pin sodium-ion thường suy giảm nhanh chỉ sau vài chục chu kỳ hoạt động.

Theo nhóm nghiên cứu, điều đặc biệt nằm ở sự phối hợp hóa học giữa hai loại ion. Ion lithium nhỏ hơn ion natri nên có khả năng di chuyển linh hoạt hơn trong vật liệu anode. Quá trình dịch chuyển của lithium giúp mở ra những “đường dẫn” thuận lợi hơn cho natri di chuyển.

Điều này làm giảm “rào cản khuếch tán” - lực cản vốn khiến pin natri hoạt động chậm và kém hiệu quả hơn pin lithium-ion. Khi lực cản giảm xuống, nhiều ion natri hơn có thể đi vào anode để lưu trữ điện tích, giúp nâng cao dung lượng pin.

Ở chiều ngược lại, natri cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn lithium bị mắc kẹt bên trong vật liệu sau quá trình xả điện. Sự trao đổi qua lại này giúp phản ứng hóa học duy trì tính ổn định và khả năng đảo ngược qua nhiều chu kỳ, từ đó kéo dài tuổi thọ pin.

Sau thành công ở giai đoạn thử nghiệm half-cell, các nhà khoa học tiếp tục phát triển tế bào pin hoàn chỉnh với đầy đủ cathode và anode.

Kết quả cho thấy pin vẫn duy trì được khoảng 70% dung lượng sau 200 chu kỳ sạc - xả. Trong khi đó, loại pin chỉ sử dụng chất điện phân natri bắt đầu suy giảm đáng kể sau khoảng 50 chu kỳ.

Điều quan trọng là natri vẫn đóng vai trò ion chủ đạo trong toàn bộ hệ thống. Điều này có nghĩa công nghệ mới về bản chất vẫn là pin sodium-ion nhưng được “hỗ trợ chiến lược” bởi một lượng nhỏ lithium để cải thiện hiệu suất.

TRIỂN VỌNG MỚI CHO XE ĐIỆN VÀ LƯỚI ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Các nhà khoa học cho rằng công nghệ mới có thể mang lại ý nghĩa lớn đối với quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu.

Hiện nay, phần lớn pin lithium-ion thương mại sử dụng cathode chứa cobalt và nickel – những vật liệu đắt đỏ, nguồn cung hạn chế và gây nhiều tranh cãi về môi trường cũng như lao động khai thác.

Trong khi đó, thiết kế pin mới sử dụng cathode sulphide sắt, kết hợp với natri là ion chính. Do natri và sắt đều dồi dào hơn nhiều kim loại dùng trong pin hiện nay, chi phí sản xuất có thể giảm đáng kể nếu công nghệ được thương mại hóa.

Lượng lithium trong hệ thống chỉ đóng vai trò “tăng cường hiệu suất” chứ không phải nguyên liệu chủ đạo. Điều này đồng nghĩa nhu cầu lithium có thể được cắt giảm đáng kể trong tương lai.

Một trong những lĩnh vực được kỳ vọng hưởng lợi lớn nhất là lưu trữ năng lượng tái tạo. Khi điện mặt trời và điện gió phát triển nhanh, nhu cầu lưu trữ điện quy mô lớn cũng tăng mạnh để giải quyết tính gián đoạn của nguồn năng lượng tái tạo. Đây là thị trường mà pin sodium-ion được đánh giá có nhiều tiềm năng nhờ giá thành thấp và nguồn nguyên liệu dồi dào.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận vẫn còn nhiều thách thức phía trước. Hiện tại, vật liệu anode của pin thử nghiệm được làm từ germanium - nguyên tố khá đắt đỏ. Vì vậy, mục tiêu tiếp theo là thay thế germanium bằng silicon, vật liệu rẻ hơn và cũng có khả năng lưu trữ đồng thời ion natri và lithium. Nếu thành công, mật độ năng lượng của pin natri có thể tiếp tục được cải thiện đáng kể.

Ngoài ra, các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu thêm những “cặp ion” khác như lithium-magnesium hay potassium-sodium để tìm kiếm những cấu trúc pin bền vững hơn trong tương lai.

Trong dài hạn, giới nghiên cứu cho rằng tương lai của ngành pin có thể không nằm ở việc tìm ra “người thay thế hoàn toàn” cho lithium, mà ở việc xây dựng các hệ thống lai kết hợp nhiều vật liệu nhằm tối ưu đồng thời hiệu suất, chi phí và tính bền vững.