Phát triển pin natri thể rắn không cực âm đầu tiên trên thế giới
(pme.uchicago.edu)- Nhóm nghiên cứu hợp tác giữa phòng thí nghiệm của Y. Shirley Meng tại UChicago PME và UC San Diego đã kết hợp cấu trúc natri·chất điện phân rắn·không cực âm để đẩy nhanh khả năng hiện thực hóa pin giá rẻ, sạc nhanh và dung lượng cao cho xe điện và lưu trữ điện lưới
- Sử dụng natri dồi dào thay cho lithium và loại bỏ cực âm giúp giảm chi phí cùng gánh nặng môi trường, đồng thời hướng tới bảo đảm an toàn và công suất nhờ thiết kế thể rắn
- Bài báo trên Nature Energy cho biết cấu trúc mới đã cho thấy chu kỳ ổn định trong hàng trăm lần, và điểm cốt lõi là đã gộp ba khái niệm pin vốn trước đây chỉ được hiện thực riêng lẻ vào một cấu trúc duy nhất
- Yếu tố then chốt của thiết kế là thay vì để chất điện phân bao quanh bộ thu dòng, bộ thu dòng bằng bột nhôm được bố trí bao quanh chất điện phân, tạo tiếp xúc khít như chất lỏng dù vẫn là thể rắn
- Nhóm nghiên cứu xem cách tiếp cận này là một bước giúp thu hẹp khoảng cách về quy mô pin cần thiết để thay thế nhiên liệu hóa thạch, và đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế thông qua UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
Kết hợp natri, thể rắn và không cực âm trong một cấu trúc
- Laboratory for Energy Storage and Conversion trực thuộc phòng thí nghiệm của Y. Shirley Meng tại UChicago Pritzker Molecular Engineering đã tạo ra pin natri thể rắn không cực âm đầu tiên trên thế giới
- LESC là tổ chức hợp tác giữa UChicago Pritzker School of Molecular Engineering và Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering của UC San Diego
- Pin natri, pin thể rắn và pin không cực âm đều đã tồn tại riêng, nhưng trước nay chưa có trường hợp nào kết hợp thành công cả ba ý tưởng này
- Bài báo Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery được đăng trên Nature Energy, và cấu trúc mới đã cho thấy chu kỳ ổn định trong hàng trăm lần
Vì sao cần giảm phụ thuộc vào lithium
- Trong vỏ Trái Đất, lithium chỉ ở mức khoảng 20ppm, trong khi natri vào khoảng 20.000ppm, phong phú hơn rất nhiều
- Khi nhu cầu pin lithium-ion cho laptop, điện thoại và xe điện tăng lên, áp lực về giá và nguồn cung lithium cũng tăng, khiến việc đảm bảo đủ sản lượng pin cần thiết trở nên khó khăn hơn
- Các mỏ lithium tập trung ở một số khu vực nhất định
- Lithium Triangle gồm Chile, Argentina và Bolivia nắm giữ hơn 75% nguồn cung lithium toàn cầu
- Các mỏ khác nằm ở Australia, North Carolina, Nevada và những nơi khác
- Khai thác lithium có thể gây thiệt hại môi trường do sử dụng axit công nghiệp để phân giải quặng, hoặc do phương pháp chiết xuất từ nước muối phải bơm lượng lớn nước lên bề mặt rồi làm bay hơi
- Natri phổ biến trong nước biển và từ khai thác soda ash, nên được đánh giá là lựa chọn thân thiện môi trường hơn cho vật liệu pin
Pin không cực âm được gì và mất gì
- Pin truyền thống có cực âm để lưu trữ ion trong quá trình sạc; khi sử dụng, ion di chuyển từ cực âm qua chất điện phân tới cực dương là bộ thu dòng, cung cấp điện cho thiết bị và ô tô
- Pin không cực âm loại bỏ cực âm và lưu trữ ion trực tiếp dưới dạng lắng đọng điện hóa của kim loại kiềm trên bộ thu dòng
- Cách làm này có thể mang lại điện áp cell cao hơn, chi phí cell thấp hơn và mật độ năng lượng cao hơn, nhưng khiến việc tiếp xúc giữa chất điện phân và bộ thu dòng trở nên khó khăn
- Vấn đề tiếp xúc thay đổi đáng kể tùy theo loại chất điện phân
- Chất điện phân lỏng có thể làm ướt bề mặt và chảy tới mọi nơi, nên dễ tạo tiếp xúc
- Chất điện phân rắn không thể chảy hoặc làm ướt bề mặt theo cách đó
- Chất điện phân lỏng tạo ra sự tích tụ lớp liên pha điện phân rắn và liên tục tiêu hao vật liệu hoạt tính, làm giảm tính hữu dụng của pin theo thời gian
Thiết kế bộ thu dòng bằng bột nhôm
- Nhóm nghiên cứu chọn cấu trúc mà bộ thu dòng bao quanh chất điện phân, thay vì để chất điện phân bao quanh bộ thu dòng
- Bộ thu dòng được tạo từ bột nhôm, một chất rắn có thể chảy như chất lỏng
- Trong quá trình lắp ráp pin, bột được nén đặc dưới áp suất cao để tạo thành bộ thu dòng rắn mà vẫn duy trì tiếp xúc như chất lỏng với chất điện phân
- Cấu trúc này có thể cho phép chu kỳ hoạt động chi phí thấp và hiệu suất cao, từ đó thúc đẩy phát triển pin natri thể rắn tiến về phía trước
- Pin natri thể rắn thường được xem là công nghệ của tương lai xa, nhưng kết quả lần này cho thấy nó thực sự có thể hoạt động tốt và có thể thúc đẩy thêm nghiên cứu liên quan
Mở rộng quy mô pin và hướng thương mại hóa
- Meng cho biết để vận hành nước Mỹ trong một giờ cần tạo ra 1TWh năng lượng, và để khử carbon nền kinh tế sẽ cần pin ở quy mô hàng trăm TWh
- Nghiên cứu lần này được xem là một tiến bộ khoa học nhằm lấp đầy khoảng cách mở rộng quy mô pin cần thiết để chuyển dịch nền kinh tế thế giới khỏi nhiên liệu hóa thạch
- Meng hình dung một tương lai lưu trữ năng lượng tái tạo bằng nhiều lựa chọn pin sạch, giá rẻ và có thể mở rộng phù hợp với nhu cầu xã hội
- Meng và Grayson Deysher đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho nghiên cứu này thông qua UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
- Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Partnerships for Innovation grant no. 2044465 của National Science Foundation
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Giá lithium thực tế đã giảm 80% trong 2 năm qua, nên phần này trong bài báo là sai nếu xét theo thời điểm hiện tại
“Lithium thường được dùng trong pin không phổ biến đến vậy. Nó tồn tại trong vỏ Trái Đất ở mức khoảng 20ppm, còn natri là 20.000ppm.
Sự khan hiếm này cùng với nhu cầu bùng nổ đối với pin lithium-ion cho laptop, điện thoại và xe điện đã đẩy giá tăng vọt, khiến việc có được loại pin cần thiết trở nên khó khăn hơn.”
Nguồn: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...
Dù vậy đây là bài PR của trường đại học, nên kiểu viết phóng đại cả vấn đề mà họ tránh được lẫn tác động mà họ tạo ra là chuyện rất điển hình
Về cốt lõi, pin không cực âm có nhiều đặc tính đáng mong muốn nên vẫn là một thành tựu kỹ thuật đáng chú ý. Đặc biệt, khả năng tiếp cận vật liệu rất tốt đến mức nhiều quốc gia có thể tự bảo đảm nguyên liệu để sản xuất pin, và ngay cả khi tính toàn vẹn của cell bị phá vỡ thì nó cũng không hỏng theo kiểu tỏa nhiệt, nên phù hợp với ô tô hơn pin lithium hiện nay
Cửa ải tiếp theo là chi phí sản xuất hàng loạt, nơi rất nhiều đổi mới về pin đã vấp ngã. Nếu đúng là có thể hạ xuống mức $1/kWh như hôm qua tôi thấy, thì chúng ta sẽ còn thấy rất nhiều loại pin này
Họ dự đoán không chỉ dư một chút mà là dư rất lớn, và cho rằng giá sẽ giảm, đặc biệt là các loại pin mới và đắt tiền sẽ khó cạnh tranh khi các nhà sản xuất hiện tại đang hạ giá
Trong vài năm tới, chúng ta sẽ sản xuất nhiều pin hơn tổng số đã làm ra từ trước đến nay. Sản lượng đang tăng từ mức hơi dưới 1TWh mỗi năm lên nhiều TWh. Bloomberg NEF ước tính nhu cầu năm tới vào khoảng 1,6TWh/năm, và đang theo dõi các khoản đầu tư liên quan đến nhà máy mới với quy mô 7,9TWh/năm. Không phải tất cả sẽ được xây, nhưng đó vẫn là năng lực khổng lồ và kéo theo nhu cầu lithium lớn. Dù vậy, như đã chỉ ra, giá vẫn đang giảm. Vì lithium là đủ dùng và không còn thiếu nữa
Lithium có nhiều ở những nơi như Chile và Bolivia, nhưng nước sản xuất lớn nhất trên thực tế lại là Úc. Chile cũng sắp mất vị trí số 2 vào tay Trung Quốc: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
Tất cả điều này còn chưa tính đến các thành phần hóa học pin không dùng lithium. Natri-ion hiện trông khá ổn. Không cần lithium, cobalt, nickel, và đã được dùng trong xe giá rẻ và hệ thống lưu trữ điện lưới. Đặc biệt trong lưu trữ điện lưới, pin nền lithium không nhất thiết là lựa chọn tự nhiên nhất
Tôi không rành về điện, nhưng có vẻ như để electron chạy thì vẫn phải cần cực âm chứ?
Trên Wikipedia có viết là “thay vào đó, nó tạo ra một cực âm kim loại trong lần sạc đầu tiên”
Vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng, nhưng nghe cũng có lý phần nào
Câu đầy đủ trên Wikipedia là: “Pin không cực âm (AFB) là loại pin được chế tạo mà không có cực âm. Thay vào đó, nó tạo ra một cực âm kim loại trong lần sạc đầu tiên”
Hơi có cảm giác kiểu “serverless” vậy ;)
Khi pin có điện tích, một phần natri kim loại đóng vai trò cực âm. Khi xả hết hoàn toàn, natri đã di chuyển sang cực dương nên không còn cực âm nữa
Tôi không hiểu vì sao chi tiết “tạo ra cực âm kim loại trong lần sạc đầu tiên” lại là điều đáng để kỳ vọng
Không phải mỉa mai đâu, tôi chỉ muốn được giải thích như cho trẻ 5 tuổi thôi
Na4MnCr(PO4)3
Crom có nhiều hơn lithi trong vỏ Trái Đất gấp 5 lần (0,01% so với 0,002%). Tốt hơn thật, nhưng có vẻ không phải khác biệt quá lớn
Pin ion natri “thông thường” dùng Prussian blue có vẻ có ưu điểm lớn là không dùng nguyên tố hiếm. Sẽ hay hơn nếu có so sánh giữa thành phần hóa học điện phân rắn hoàn toàn này với cách làm thông thường
Năng lượng tự do Gibbs hình thành của oxit crom và cromit âm hơn rất nhiều so với các khoáng vật chứa lithi, nên các hợp chất Cr về mặt nhiệt động học dễ kết tủa trong pha nóng chảy và dung dịch, hình thành quặng nồng độ cao rồi được đẩy lên bởi các quá trình khác. Li+ do chỉ có một electron hóa trị nên khó tạo liên kết tương đối mạnh hoặc pha khoáng vật rất ổn định
Ngoài ra, hệ số khuếch tán của các loài Cr trong magma và đá thường thấp hơn Li vài bậc độ lớn. Cr bị giữ lại sớm trong cấu trúc tinh thể, còn Li tiếp tục di chuyển và khuếch tán dưới dạng khoáng vật tan trong nước. Cũng có chu trình sinh địa hóa học nơi vi sinh vật có thể làm giàu Cr trong trầm tích
[0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
Việc chiết xuất có thể phiền phức, nhưng đây không phải là vật chất sẽ cạn kiệt
Nó là crom hóa trị 3, crom hóa trị 6, hay dạng nào khác cũng là điều quan trọng
Chromium > Precautions:
https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions
Bản preprint của bài báo nằm ở đây: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...
Những cách diễn đạt kiểu “khai thác lithi cũng có hại cho môi trường. Khai thác từ nước muối bơm một lượng nước khổng lồ lên bề mặt rồi làm bay hơi” có vẻ hơi cường điệu
Việc bơm nước lên rồi cho bay hơi ở đáy hồ khô hạn ít sự sống là loại tác động môi trường khá thấp nếu so theo thang đo ảnh hưởng của khai khoáng. Tôi tò mò điều này so với khai thác natri thì thế nào
Natri có thể lấy bằng cách làm bay hơi nước biển trong ao, nhưng cách này phá hủy đất ngập nước. Quanh SF Bay cũng có nhiều nơi như vậy và một số đang được phục hồi về trạng thái ban đầu
‘Environmental impact of direct lithium extraction from brines’ (2023) trên Nature Reviews Earth & Environment, PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
Không nói gì về mật độ năng lượng, thể tích hay số chu kỳ sạc
Công bố lần này là thành tựu khoa học, không phải thành phẩm hoàn chỉnh cho người tiêu dùng
Vậy nên nó vẫn đang ở giai đoạn thí nghiệm, và phiên bản sản phẩm sẽ không xuất hiện trong vòng 1 năm, hoặc rất có thể còn lâu hơn. Sản phẩm tự nhiên sẽ được tối ưu theo nhiều hạng mục như tuổi thọ, khối lượng, dung lượng, v.v., nên đến lúc đó các chỉ số như vậy mới có ý nghĩa. Trước đó thì đây chỉ là kết quả thí nghiệm có các chỉ số để so với các kết quả thử nghiệm trước đây
Biểu đồ cho thấy mật độ khoảng 400Wh/kg, khoảng 800Wh/L. Với lưu trữ điện lưới thì đây là con số ổn
Bài báo https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 tiếc là nằm sau tường phí
Cứ chờ xem. Thành bại của công nghệ pin phụ thuộc vào việc các phản ứng bề mặt lộn xộn và phức tạp trong các chu kỳ xả ở quy mô thực tế có thực sự thuận nghịch hay không
Hy vọng đây thực sự là một bước đột phá, nhưng tôi đoán bình luận đầu tiên sẽ chỉ ra một điều quan trọng mà loại pin này không làm được ngoài thực tế
Phần lớn các công ty pin thể rắn hoàn toàn nền tảng lithium mà tôi từng nghe trong các chu kỳ thổi phồng đều có pin thể rắn với số chu kỳ và mật độ có vẻ tốt, nhưng về cơ bản chỉ cỡ pin đồng hồ
Nhưng họ không thể mở rộng quy mô. Tức là họ không thể làm ra những bộ pin lớn như pin mà xe điện hiện đại sử dụng, cũng không thể sản xuất hàng loạt ở các form factor pin dùng trong thế giới thực
Dù vậy, cái này trông vẫn rất hứa hẹn
Phần tóm tắt kết lại bằng câu: “Cấu trúc cell này đóng vai trò như một định hướng tương lai cho các thành phần hóa học pin khác nhằm cho phép tạo ra pin chi phí thấp, mật độ năng lượng cao và sạc nhanh.” Đây là nghiên cứu nền tảng và mang tính thăm dò rất quan trọng
Đến lúc nào đó các trường đại học thật sự nên xem lại cách họ quảng bá nghiên cứu. Ít nhất cũng cần tiết chế những tiêu đề nghe như xuất phát từ một startup lừa đảo chứ không phải từ phòng thí nghiệm
Điều quan trọng ở pin là quy mô và tổng chi phí. Dù nguyên tố có rẻ hơn, điều quan trọng là nó có tạo ra sản phẩm tốt hơn đáng kể hoặc rẻ hơn đáng kể so với tiêu chuẩn hiện tại hay không. Chỉ cần nhìn sự trỗi dậy của LFP là thấy
Việc có thể dùng các nhà máy và công nghệ sản xuất hiện có hay không, hay phải phát minh hoặc xây mới, cũng là yếu tố then chốt. Người ta đã nói về pin thể rắn hoàn toàn suốt 15 năm qua nhưng vẫn chưa có gì ở quy mô đủ lớn
Nếu pin thể rắn hoàn toàn cất cánh, có lẽ nó sẽ xuất hiện trước ở hàng không điện và siêu xe, nơi có thể giấu chi phí vào giá bán cao hơn của sản phẩm và cần mật độ cao hơn
Nếu chỉ là “chu trình ổn định trong hàng trăm chu kỳ” thì vẫn còn thiếu tới một bậc độ lớn để trở thành loại pin dùng được
Tôi hy vọng thứ này sẽ thành công về mặt thương mại để quy trình bẩn thỉu hiện nay trong việc chế tạo và triển khai pin lithium có thể biến mất hoàn toàn
Hy vọng chúng ta sẽ bớt phụ thuộc vào Trung Quốc và các nước có thực hành lao động đáng ngờ như lao động trẻ em hoặc gần như không có quy định an toàn
Miễn trừ trách nhiệm: tôi thật sự mong những loại pin này thành công