Các nhà khoa học Trung Quốc phát triển được loại pin làm từ canxi có thể sạc lại, cung cấp giải pháp thay thế rẻ hơn và bền vững hơn cho công nghệ lithium - Ảnh: Đại học Phục Đán
Nhóm nghiên cứu cũng kết hợp thiết bị canxi-oxy vào sợi để tạo ra loại pin dệt linh hoạt có thể cung cấp năng lượng cho smartphone (điện thoại thông minh).
Được làm từ kim loại có cường độ dồi dào gấp 2.500 lần so với lithium, pin của các nhà khoa học Trung Quốc có thể sạc và xả ổn định hoàn toàn 700 lần ở nhiệt độ phòng - thành tích đầu tiên cho công nghệ dựa trên canxi.
“Pin có thể biến hóa học canxi thành một công nghệ lưu trữ năng lượng bền vững, đầy hứa hẹn”, nhóm nghiên cứu từ Đại học Phúc Đán (Trung Quốc) cho biết trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature.
Pin lithium-ion được biết đến với mật độ năng lượng cao, khả năng cung cấp năng lượng mạnh mẽ trong kích thước hoặc trọng lượng tương đối nhỏ và được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới. Tuy nhiên, việc đảm bảo nguồn cung cấp lithium đáng tin cậy là rất quan trọng để mở rộng các ngành công nghiệp bền vững như lưu trữ năng lượng tái tạo và ô tô điện.
Cơ quan Năng lượng Quốc tế đã dự báo sẽ xảy ra thiếu hụt lithium vào năm 2025 do nhu cầu về ô tô điện tăng mạnh trong bối cảnh nỗ lực toàn cầu đạt mục tiêu lượng phát thải ròng bằng 0. Khai thác lithium cũng là quá trình tốn kém và tốn nhiều nước.
Theo bài báo trên tạp chí Nature, pin làm từ canxi “được kỳ vọng sẽ rẻ hơn và an toàn hơn so với pin lithium-ion” trong khi vẫn cung cấp công suất năng lượng tương đương về mặt lý thuyết.
Nhóm nghiên cứu cho biết trong số các loại pin làm từ canxi, hệ thống canxi-oxy có “mật độ năng lượng lý thuyết cao nhất”. Điều này là do nhiên liệu của pin được lấy từ oxy trong không khí chứ không phải từ vật liệu được lưu trữ bên trong pin.
Tuy nhiên, pin canxi-oxy không hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng. Đến nay, các nỗ lực để phát triển một pin canxi-oxy có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng và có khả năng sạc lại chưa đạt được thành công.
Việc tìm ra chất điện phân (thành phần trong pin cho phép sạc và xả) không gây ra phản ứng canxi làm hạn chế dung lượng pin là một thách thức lớn với các nhà nghiên cứu.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Phúc Đán đã tạo ra chất điện phân dạng lỏng có thể chứa cả thành phần canxi và oxy của pin.
Nhóm nghiên cứu cho biết pin sạc mà họ sản xuất có thể cung cấp giải pháp thay thế rẻ hơn cho pin dựa trên lithium với tiềm năng ứng dụng trên phạm vi rộng.
Theo nhóm nghiên cứu, pin sạc lại mà họ sản xuất có thể cung cấp giải pháp thay thế rẻ hơn so với pin dựa trên lithium với tiềm năng ứng dụng trên phạm vi rộng.
Nhóm nghiên cứu viết: “Pin canxi-oxy được đề xuất có khả năng ổn định trong không khí và có thể được chế tạo thành sợi linh hoạt dùng cho pin trong các hệ thống đeo thông minh thế hệ mới”.
Sau khi phủ các thành phần của pin lên sợi, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng pin sợi của họ có thể hoạt động ổn định ngay cả khi bị uốn cong từ 0 đến 180 độ.
Dù hiệu suất và dung lượng pin của họ vẫn còn hạn chế nhưng nhóm này cho biết kỹ thuật tiếp theo có thể cải thiện hoạt động của pin và nghiên cứu nêu trên cũng mở ra nhiều con đường hơn để sản xuất pin canxi bằng các vật liệu khác.
Hồi tháng trước, Microsoft thông báo đã làm việc với một phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để nhanh chóng xác định loại vật liệu có thể sản xuất pin với lithium ít hơn 70% so với hiện nay.
Việc thay thế phần lớn lithium bằng natri, nguyên tố phổ biến có trong muối ăn, vẫn cần được các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) ở thành phố Richland (bang Washington, Mỹ) đánh giá sâu rộng để xác định xem liệu nó có phù hợp để sản xuất hàng loạt hay không.
Jason Zander, Phó chủ tịch điều hành Microsoft, nói với hãng tin Reuters: “Một việc có thể mất nhiều năm nhưng chúng tôi đã làm được trong hai tuần. Đó là phần chúng tôi hào hứng nhất… Chúng tôi chỉ mới giải quyết một vấn đề. Còn hàng ngàn vấn đề khác cần giải quyết và công nghệ này có thể áp dụng cho tất cả".
Công nghệ mới một ngày nào đó có thể được ứng dụng trong ô tô, lưới điện và những nơi khác cần có pin. Microsoft - PNNL dùng ít lithium (đắt tiền để khai thác và tập trung ở một số quốc gia) hơn và sử dụng nhiều natri (rẻ và dồi dào) hơn.
Brian Abrahamson, Giám đốc kỹ thuật số của PNNL, cho biết trong một cuộc phỏng vấn rằng quy trình được sử dụng để tìm vật liệu pin thay thế có thể áp dụng cho nhiều vấn đề khoa học vật liệu và hóa học khác mà phòng thí nghiệm này đang nghiên cứu.
Microsoft đã sử dụng kết hợp các mô hình AI được đào tạo trên dữ liệu khoa học về phân tử và siêu máy tính khoa học truyền thống. Việc này có thể thu hẹp hơn 32 triệu khả năng xuống còn 18 ứng cử viên, mà sau đó các nhà khoa học PNNL đã kiểm tra để quyết định xem đâu là những loại cần tổng hợp và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Brian Abrahamson nói: “Điều kỳ diệu ở đây là tốc độ của AI, hỗ trợ việc xác định các sản phẩm và vật liệu cũng như khả năng của chúng tôi để biến những ý tưởng đó thành hiện thực trong phòng thí nghiệm. Tất cả những điều đó đều được đưa vào để hỗ trợ cho cá nhân một nhà khoa học. Đây là sự thay đổi mô hình mà chúng tôi đang xem xét. Với chúng tôi, nó mang lại triển vọng to lớn".
Lithium là kim loại nhẹ, mềm, có màu trắng bạch và khả năng dẫn điện tốt. Lithium có ứng dụng quan trọng trong công nghiệp pin điện, đặc biệt là pin lithium-ion, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, ô tô điện và lưu trữ năng lượng tái tạo. Lithium cũng được sử dụng trong một số ứng dụng y tế và công nghiệp khác.
Lithium có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Lithium được sử dụng chủ yếu trong pin lithium-ion, Y học, Công nghiệp hạt nhôm, Công nghiệp hạt thủy tinh, Công nghiệp hạt cao su, Công nghiệp hạt kim loại, Năng lượng hạt nhân (Lithium-6 có thể được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng hạt nhân, đặc biệt là trong việc sản xuất tritium, một chất nhẹ được sử dụng trong bom hạt nhân).
Link gốc