Tìm ra nguyên nhân tự xả của pin giúp xe điện bền hơn

[Romano]

Việc chuyển đổi từ ôtô truyền thống sang các phương tiện di chuyển bằng điện đang trở thành một xu hướng tất yếu trong quá trình phát triển, bảo vệ trái đất khỏi những biến đổi tiêu cực của khí hậu. Song song với đó, đây cũng là thách thức đòi hỏi cần có sự nghiên cứu, sáng tạo ra các loại pin ôtô điện bền vững, hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn.Pin ôtô điện chính là “linh hồn” của mọi dòng xe ôtô điện. Chúng là bộ phận cung cấp điện chính cho động cơ và các thiết bị điện tử được sử dụng trong xe. Bởi vậy, loại pin này thường sở hữu dung lượng lớn để đảm bảo xe có thể chạy một khoảng cách đủ xa, đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng.

Nếu các dòng xe truyền thống cần nạp nguyên liệu để vận hành thì xe ôtô điện cũng vậy. Pin điện được dùng phổ biến nhất là pin sạc hay còn gọi là ắc quy. Cấu tạo pin ôtô điện có các ngăn chứa các tế bào pin được lắp nối tiếp nhau, gồm điện cực dương và điện cực âm cùng dung dịch điện ly. Loại pin được dùng phổ biến nhất trong các dòng xe ôtô điện hiện nay là pin Lithium-ion. Nó có tốc độ tự xả thấp, khả năng lưu trữ năng lượng lớn, trọng lượng nhẹ và tuổi thọ tương đối dài. Tuy nhiên, để phạm vi hoạt động của ôtô điện được tăng lên, các nhà nghiên cứu pin Lithium-ion đã tìm ra cách hạn chế pin mất dung lượng theo thời gian.

Theo đó, một nhóm nghiên cứu quốc tế, do Giáo sư Michael F. Toney tại Đại học Colorado Boulder ở Mỹ dẫn đầu, đã xác định được nguyên nhân gốc rễ của tình trạng mất dung lượng pin theo thời gian, còn được gọi là tự xả, bằng cách sử dụng tia X quang cực mạnh.

Ai cũng biết rằng pin sẽ mất dung lượng theo thời gian. Cho dù là trong điện thoại di động hay xe điện, pin sạc cuối cùng cũng mất khả năng giữ điện và phải được thay thế. Ngay cả sau nhiều thập kỷ kinh nghiệm thiết kế và sản xuất các loại pin khác nhau, mọi người vẫn chưa tìm ra nguyên nhân gây ra hiện tượng này. Trên tạp chí “Science” ngày 12/9, Giáo sư Toney cho biết: "Việc có một loại pin tốt hơn rất quan trọng trong việc chuyển đổi cơ sở hạ tầng năng lượng của chúng ta khỏi nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng tái tạo nhiều hơn".

Tự xả là gì?

Trong pin lithium-ion, loại pin được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới, các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm thông qua dung dịch điện phân. Điều này tạo thành dòng điện cung cấp năng lượng cho các thiết bị từ điện thoại đến máy tính xách tay và thậm chí cả xe điện.

Các ion lithium được trả về cực dương trong quá trình sạc và chu kỳ này có thể lặp lại. Tuy nhiên, người ta tin rằng không phải tất cả các ion lithium đều được trả về cực dương, dẫn đến giảm dung lượng theo thời gian hoặc tự xả.

Vì việc sử dụng khoáng chất đất hiếm coban trong pin đã làm dấy lên mối lo ngại về quyền con người và chi phí môi trường, nên các nhà khoa học đã nghiên cứu phát triển các loại pin không sử dụng coban mà sử dụng niken và magiê. Tuy nhiên, những loại pin này thậm chí còn dễ tự xả hơn khi các phản ứng hóa học bên trong pin làm giảm năng lượng được lưu trữ và làm giảm dung lượng của pin theo thời gian. Do tự xả, hầu hết các loại pin này có tuổi thọ từ 7 đến 10 năm trước khi cần thay thế.

Nguyên nhân gốc rễ của hiện tượng tự xả

Nhóm của Giáo sư Toney đã sử dụng Advanced Photon Source (APS), một máy X-quang cực mạnh tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở bang Illinois, để xác định nguyên nhân gây ra hiện tượng tự xả. Giáo sư Toney cho biết: “APS là một hệ thống cực mạnh và lớn (có chu vi 1,1 km) nằm bên ngoài Chicago và cung cấp các chùm tia X có cường độ rất mạnh”.

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Toney đã phát hiện ra rằng các nguyên tử hydro được hình thành do phản ứng giữa chất điện phân và cực âm sau khi pin được sạc đầy. Các nguyên tử này liên kết với cực âm ở nơi mà lithium sẽ liên kết trong quá trình phóng điện. Điều này ngăn không cho lithium tiếp cận cực âm, do đó làm giảm dòng điện được tạo ra và dung lượng tổng thể của pin. Bây giờ các nhà nghiên cứu đã hiểu nguyên nhân gây ra hiện tượng tự xả và họ có thể tìm cách ngăn chặn nó.

Phủ cực âm bằng một vật liệu đặc biệt để chặn các nguyên tử hydro có thể là một lựa chọn. Giáo sư Toney cho biết: "Thông thường, có thể sử dụng các oxit bảo vệ như alumina (Al2O3) để phủ cực âm. Những thứ này không đắt và có các quy trình để phủ nhưng chúng tôi không chắc lớp phủ sẽ tồn tại được bao lâu".

Tuy nhiên, nghiên cứu này mở ra những ranh giới mới và có thể giúp phát triển các loại pin tốt hơn. Khi thế giới hướng đến mục tiêu loại bỏ nhiên liệu hóa thạch, các loại pin không mất khả năng sạc trong suốt vòng đời của chúng sẽ rất quan trọng. Nó sẽ thúc đẩy các giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo và giảm chi phí lưu trữ năng lượng dư thừa. Đối với xe điện, điều này có nghĩa là phạm vi hoạt động không bị giảm hoặc không cần thay pin ngay cả sau nhiều năm sử dụng.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí “Science” vào ngày 12/9 và diễn ra chỉ vài ngày sau khi các nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển công bố một loại pin mới làm từ sợi carbon mà theo tuyên bố của họ là loại pin mạnh nhất thế giới. Vật liệu này đủ chắc chắn để đóng vai trò là cấu trúc chịu tải, nghĩa là nó có khả năng được tích hợp vào thiết kế của một chiếc xe điện để tăng phạm vi hoạt động và giảm trọng lượng đến mức có thể sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy bay điện.