Sạc điện thoại bằng sầu riêng và mít ?!

Pin lithium-on nay đã làm thay đổi cách ta lưu trữ và mang theo năng lượng bên ta, và vì thế, đã cách mạng hóa thiết bị di động ta sử dụng.

Lần đầu tiên được Sony đưa vào sản xuất thương mại năm 1991 khi công ty này tìm đến giải pháp xử lý tình trạng tuổi thọ pin ngắn trên các máy quay phim cầm tay, pin lithium-ion đã cung cấp năng lượng cho rất nhiều loại thiết bị ta sử dụng ngày nay – từ điện thoại thông minh và máy tính xách tay đến bàn chải đánh răng chạy điện và máy hút bụi cầm tay.

Cuối năm ngoái, ba nhà khoa học phát minh ra pin đã nhận giải Nobel hóa học vì có công tạo ra cuộc cách mạng kỹ thuật.

Nhu cầu của con người trong việc sử dụng loại pin này có vẻ như chỉ ngày càng tăng lên.

Xe hơi điện nay dựa vào pin lithium-ion thay cho nhiên liệu hóa thạch (xăng, dầu) mà ta vẫn đang dùng cho xe hơi thường.

Do nguồn năng lượng tái tạo đang chiếm thêm vị trí trong nguồn cung cấp điện khắp thế giới, người ta có vẻ sẽ cần đến những ngân hàng pin khổng lồ để trữ năng lượng dư thừa cho lúc gió không thổi hay trời không nắng to.

Trên khắp thế giới, khoảng bảy tỷ viên pin lithium-ion được bán ra hàng năm, và con số này được ước tính sẽ tăng đến hơn 15 tỷ vào năm 2027.

Tuổi thọ pin

Nhưng như ta biết, điện thoại càng cũ thì lại càng giảm khả năng lưu trữ năng lượng, pin lithium-ion cũng có giới hạn.

Qua thời gian, khả năng lưu trữ năng lượng giảm dần, nghĩa là chúng trữ được ít điện năng hơn.

Trong thời tiết cực nóng hoặc cực lạnh, khả năng lưu trữ năng lượng pin cũng sụt giảm. Và có nhiều quan ngại về sự an toàn và tính bền vững của pin lithium-ion – chúng có thể bắt lửa và nổ trong một số điều kiện, trong khi đó hoạt động khai thác mỏ tìm kim loại cần thiết để chế tạo pin phải trả giá rất lớn về môi trường và xã hội.

Điều này đã thúc đẩy nhiều nhà khoa học khắp thế giới cố thử nghiệm và phát triển những loại pin mới có thể vượt qua vấn đề này.

Bằng cách khai thác hàng loạt các loại chất liệu, từ kim cương đến loại trái cây cực kỳ nặng mùi, người ta hy vọng có thể tìm ra phương thức mới để cấp năng lượng cho công nghệ trong tương lai.

Pin lithium-ion hoạt động bằng cách sạc những phân tử (ion) lithium để di chuyển dòng điện từ đầu này đến đầu kia, đi qua chất điện giải làm trung gian.

Một trong những yếu tố khiến pin lithium-ion hấp dẫn đến vậy là vì “mật độ năng lượng” của nó – tức lượng năng lượng tối đa mà viên pin có thể lưu trữ trong kích cỡ của nó – là cao nhất so với bất cứ loại pin nào khác có mặt trên thị trường. Chúng cũng có thể tạo ra dòng điện có điện áp cao hơn các công nghệ pin khác.

Pin thường được chế tạo ra từ ba thành phần chủ yếu – một điện cực âm, một điện cực dương, và chất điện giải ở giữa. Vai trò của chất điện giải chuyển đổi giữa cực âm và cực dương tùy thuộc vào việc pin đang sạc hay đang sử dụng.

Với pin lithium-ion, đầu cực âm thường được chế tạo từ một oxide kim loại có kèm một kim loại khác.

Khi được sạc, các ion lithium và các electron dịch chuyển từ cực âm sang cực dương, nơi chúng “lưu trữ” làm thế điện hóa.

Điều này xảy ra qua một loạt phản ứng hóa học trong chất điện giải do dòng năng lượng điện gây ra từ mạch điện sạc.

Khi pin được sử dụng, dòng lithium ion sẽ dịch chuyển theo chiều ngược lại từ cực dương đến cực âm qua chất điện giải, khi các electron dịch chuyển qua mạch điện trên thiết bị có gắn pin, nó sẽ cung cấp năng lượng cho thiết bị.

Qua nhiều năm, các tinh chỉnh với chất liệu dùng làm cực dương và cực âm đã giúp cải thiện khả năng lưu trữ và mật độ điện trong pin lithium-ion, nhưng cải tiến quan trọng nhất đó là làm giá thành loại pin này hạ xuống.

“Đến một lúc nào đó thì hóa chất được phát triển 35 năm về trước sẽ trở nên bão hòa,” Mauro Pasta, nhà khoa học về vật liệu ở Đại học Oxford và là trưởng dự án tại Học viện Faraday, nói.

Ông đang nghiên cứu về giai đoạn tiếp theo cho pin lithium-ion. Mục tiêu của ông là tăng cường mật độ năng lượng trong pin lithium-ion và đồng thời tăng khả năng hiệu dụng để chúng không mất dần năng lượng sau nhiều lần sạc và sử dụng.

Để làm được điều này, Pasta tập trung vào việc thay thế các chất điện giải cực kỳ dễ bắt lửa được sử dụng trong pin lithium-ion hiện đại bằng chất điện giải dạng rắn làm từ gốm.

Sử dụng chất rắn làm giảm nguy cơ chất điện giải phát lửa trong trường hợp xảy ra tình trạng các phân tử không ổn định hay bị thiếu, như trong vụ Samsung phải thu hồi 2,5 triệu điện thoại Galaxy Note 7 vào năm 2017 sau một loạt sự cố pin phát cháy.

Điều này quan trọng cho tương lai, vì thậm chí các chất điện giải dạng dịch lỏng polymer trong hầu hết thiết bị cầm tay của ta cũng vẫn dễ phát lửa.

Loại pin sử dụng chất rắn cũng có thể giúp người ta sử dụng kim loại lithium có mật độ cao thay vì sử dụng cực dương làm từ than chì, cách này làm tăng hàm lượng năng lượng pin có thể lưu trữ trong quá trình. Nó cũng có thể mang lại tác động to lớn cho tương lai của xe cộ.

Hiện thời, mỗi chiếc xe hơi điện chứa khoảng số pin tương đương hàng ngàn chiếc iPhone. Khi xe hơi điện có vẻ như sẵn sàng thay thế xe hơi chạy bằng nhiên liệu hóa thạch ở nhiều quốc gia trong vài năm tới, thì sự chuyển đổi qua việc sử dụng pin rắn có thể đem lại hành trình dài hơn và thời gian sử dụng lâu hơn giữa các lần sạc.

Cơn khát năng lượng cho pin của con người có vẻ như chỉ có chiều hướng tăng lên trong các năm tới, khi các mô hình vận tải khác cũng chuẩn bị chuyển sang sử dụng điện, và hàng loạt các vật dụng dùng điện cầm tay sẽ xuất hiện trong cuộc sống của ta.

Tác hại tới môi trường

Vậy liệu ta có nên tìm kiếm giải pháp nào thay thế cho pin lithium có thể làm giảm tác động với môi trường không?

Vùng “Tam giác Lithium” ở dãy núi Andes – một phần nằm ở Argentina, Bolivia và Chile – chứa hơn một nửa tài nguyên kim loại của toàn thế giới.

Nhưng khai thác lithium từ các bãi muối cần sử dụng nước – rất nhiều nước. Ở vùng Salar de Atacama ở Chile, người ta sử dụng khoảng 100 triệu lít nước mỗi ngày trong khi khai mỏ để sản xuất được 900kg lithium.

Quy trình gồm có làm sạch loại muối giàu kim loại bằng cách làm chúng phân rã từ từ trong nước, lọc lại và sau đó làm bốc hơi nước muối cho đến khi thu được muối lithium tinh khiết.

Tuy nhiên, các cơ quan môi trường do chính phủ Chile vận hành đã cảnh báo việc khai mỏ kim loại – chủ yếu là mỏ đồng và mỏ lithium trong khu vực này đang sử dụng nhiều nước hơn số nước bù đắp được từ tuyết và mưa.

Để vượt qua tình trạng này, các nhà nghiên cứu từ Viện nghiên cứu Công nghệ Karlsruhe đang làm việc với các loại pin sử dụng kim loại khác ở cực dương của pin, như calcium hay magnesium.

Calcium là nguyên tố phổ biến thứ năm trên vỏ Trái Đất và không có vẻ sẽ gặp phải tình trạng quan ngại với nguồn cung như lithium, nhưng nghiên cứu tìm cách cải thiện khả năng của pin dùng calcium vẫn đang ở giai đoạn sơ khai.

Magnesium cũng cho thấy kết quả khả quan ban đầu, đặc biệt về mật độ năng lượng, và có nhiều kế hoạch sẽ thương mại hóa loại pin này trong tương lai.

Nhưng một số người còn tìm kiếm những chất liệu có sẵn hơn nữa, trong đó có gỗ.

LIangbing Hu, giám đốc Trung tâm Sáng tạo Vật liệu tại Đại học Maryland, gần đây đã chế tạo một loại pin sử dụng phần xốp, những mảnh gỗ có lỗ làm chất điện giải, trong đó các iron kim loại phản ứng sẽ sinh ra dòng điện. Gỗ có rất nhiều, giá rẻ và nhẹ, và nó cho thấy khả năng vận hành tốt trong pin.

Các loại pin mới nhất qua nhiều năm nghiên cứu khả năng trữ năng lượng của gỗ trong đó có các loại sợi gỗ cellulose phủ trong thiếc.

Vì gỗ sẽ tự nhiên tiến hóa thành chất thấm hút dinh dưỡng khi nó dịch chuyển trong thân cây, chất liệu dùng làm chất điện giải cũng có khả năng tích trữ ion kim loại mà không xảy ra nguy cơ phồng lên hay co lại nguy hiểm, là tình trạng có thể xảy ra với chất điện giải trong pin lithium.

Trong khi nhóm nghiên cứu của Hu dự đoán một ngày nào đó các loại pin dùng chất liệu gỗ có thể dùng cho thiết bị điện tử di động cũng như các loại pin lưu trữ quy mô lớn, thì ta vẫn chưa thể nào sạc pin cho máy tính xách tay từ chúng, vì chúng vẫn đang được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Hiện thời, những loại pin này mất khả năng trữ pin khá nhanh – một mẫu pin chỉ có thể tiếp tục lưu trữ khoảng 61% so với khả năng lưu trữ ban đầu sau 100 lần sạc.

Hiện thời, khối lượng gỗ được sử dụng là khoảng vài centimet chiều rộng và chiều dài, và người ta có thể xếp chồng nhiều pin và kết nối với nhau để ứng dụng ở quy mô lớn hơn, và điều này cuối cùng có thể sẽ hữu ích khi lưu trữ năng lượng tại nhà hay các tòa nhà khác.

Lithium không phải là kim loại duy nhất được sử dụng trong pin hiện đại – hầu hết cũng sử dụng côban kết hợp với lithium ở cực âm.

Việc khai thác cobalt sẽ để lại di sản độc hại gây nguy hiểm đến sức khỏe cộng đồng sống gần mỏ và đe dọa môi trường.

Mỏ cobalt cũng cực kỳ nguy hại vì sử dụng lao động trẻ em, cụ thể là ở Cộng hòa Dân chủ Congo, nơi có hơn một nửa số mỏ cobalt trên thế giới.

Các công ty công nghệ hàng đầu như Apple, Tesla và Microsoft gần đây đã bị kiện vì tình trạng chết người xảy ra ở mỏ cobalt.

“Mọi người đang cầm trên tay một viên pin lithium-ion do trẻ em khai mỏ,” Jodie Lutkenhaus, kỹ sư hóa học từ Đại học Texas A&M, cho biết.

Điều này đã tạo cảm hứng để bà phát triển các giải pháp thay thế cho những loại “pin máu” này bằng cách sử dụng protein, những phân tử phức hợp do sinh thể sống sinh ra và sử dụng.

Giải pháp thay thế

Cực dương của pin có xu hướng được làm từ than chì và cực âm làm từ oxide kim loại có chứa những thành tố như cobalt. Nếu những chất liệu này có thể được thay thế bằng vật liệu hữu cơ cho cả hai điện cực hoạt động, thì điều đó có nghĩa là người ta không còn cần khai thác cobalt nữa.

Cách này không chỉ giúp làm giảm nhu cầu với kim loại độc hại cần phải khai thác từ lòng đất, mà nó còn giải quyết một di sản môi trường khác mà pin lithium-ion gây ra.

Nếu pin bị thải bỏ ra bãi rác, kim loại và chất điện giải trong pin lithium-ion có thể rò rỉ vào môi trường xung quanh, gây nguy hại hơn nữa. Chỉ có khoảng 5% số lượng pin lithium-ion trong số 1,5 tỷ điện thoại thông minh bán ra mỗi năm được đưa vào quy trình tái chế.

Cùng hợp tác phát triển với đồng nghiệp của bà là Karen Wooley, tại Đại học Texas A&M, pin dùng protein của Lutkenhaus là loại pin năng lượng đầu tiên phân rã theo yêu cầu bằng cách để nó phân rã trong một loại axid, nghĩa là pin này có thể dễ dàng được hủy và sau đó dùng lại.

Mặc dù ý tưởng được đưa vào hiện thực hóa của họ vẫn chưa thể cạnh tranh với pin lithium-ion – hiện nay nó chỉ có thể chuyển tải dòng điện 1,5V trong khoảng 50 lần sạc trước khi pin chai – nhưng đây vẫn là một phần của làn sóng phát triển thú vị, trong đó người ta tính toán đưa sự bền vững vào thiết kế pin.

Siêu trái cây

Một nhóm sáng chế khác không chỉ cố gắng tìm cách mới để cung cấp năng lượng cho thiết bị di động, mà còn tìm cách giải quyết vấn đề phung phí thực phẩm.

Vincent Gomes, kỹ sư hóa tại Đại học Sydney và nhóm nghiên cứu của ông, trong đó có Labna Shabnam, đang biến chất thải từ loại trái cây nặng mùi nhất thế giới là sầu riêng và loại trái cây to nhất thế giới là mít trở thành siêu tụ điện có thể sạc điện thoại di động, máy tính bảng và máy tính xách tay chỉ trong vài phút.

Siêu tụ điện là cách thay thế để lưu trữ năng lượng. Chúng có tác dụng như hồ chứa, có thể giúp sạc nhanh và sau đó sử dụng nhanh năng lượng trong nhiều lần sạc.

Chúng thường được chế tạo từ những vật liệu đắt tiền như graphene, nhưng nhóm nghiên cứu của Gomes đã biến những phần không ăn được trên quả sầu riêng và quả mít thành aerogel – những tấm chất rắn xốp và siêu nhẹ – với khả năng lưu trữ năng lượng tự nhiên “phi thường”.

Họ làm nóng, làm khô cứng và sau đó nướng phần lõi xốp không ăn được của mỗi loại quả này trong lò ở nhiệt độ hơn 1.500 độ C.

Cấu trúc siêu nhẹ, cực xốp có màu đen thành phẩm sau đó có thể được sử dụng làm chất điện giải cho một siêu tụ điện giá rẻ.

Siêu tụ điện có thể sạc đầy trong 30 giây, và có thể sử dụng làm nguồn cấp điện cho một loạt thiết bị.

“Nếu như có thể sạc được điện thoại trong một phút thì đúng là tuyệt vời,” Shabnam nói.

Giấc mơ của các nhà nghiên cứu là sử dụng những siêu tụ điện bền vững này để tích trữ điện năng từ các nguồn cung cấp năng lượng tái tạo để sử dụng cho xe cộ và nhà cửa.

Các loại chất thải từ cây trồng khác cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong tương lai. Mikhail Astakhov, nhà hóa học vật lý tại Đại học Quốc gia về Khoa học và Công Nghệ (MISiS) tại Moscow, Nga, đã biến cây ngò tây, một cỏ có loại nhựa độc làm nổi rộp da người, thành chất liệu thô chế tạo siêu tụ điện có thể sạc được điện thoại.

Pin vĩnh cửu làm từ kim cương nhân tạo

Trong khi xử lý được những vấn đề môi trường do pin lithium-ion gây ra là thách thức mà người ta có thể cuối cùng cũng giải quyết được, thì có những người khác cố gắng giải quyết các giới hạn khác của pin này.

Dù Tom Scott, nhà khoa học vật liệu từ Đại học Bristol, không tin rằng pin lithium-ion có thể thay thế cho những công dụng quan trọng nhất trong thế kỷ tới, nhưng vẫn còn nhiều cơ hội khi đề cập đến vấn đề tích trữ năng lượng trong những môi trường cực đoan hơn.

Cùng với nhóm nghiên cứu, Scott đã phát triển pin từ kim cương.

Bằng cách sử dụng loại kim cương nhân tạo có chứa nguyên tố phóng xạ carbon-14, họ có thể tạo ra “pin công nghệ betavoltaic” tạo ra ra dòng điện không đổi và có thể tồn tại đến hàng ngàn năm.

Bị hàn kín bên trong mạng tinh thể kim cương, đồng vị phóng xạ phóng ra những electron có năng lượng cực mạnh khi trải qua quá trình phân rã hạt nhân.

Từ quá trình này tạo ra cơn mưa electron qua cấu trúc kim cương có thể được khai thác để tạo ra dòng điện. Từ bên ngoài, hoạt động phóng xạ vẫn ở mức an toàn, các nhà nghiên cứu cho hay.

Nhóm đã tạo ra một mẫu thử nghiệm “pin kim cương” sử dụng kim cương nhân tạo đặt bên ngoài vùng hoạt động phóng xạ của chất đồng vị Nickel-63, kích thích dòng electron qua kim cương.

Nhưng giờ đây, họ đang thực hiện một phiên bản sử dụng chất đồng vị carbon-14 lấy từ những khối than chì sử dụng ở nhà máy điện hạt nhân.

Bằng cách biến những chất thải hạt nhân thành pin có tuổi thọ kéo dài, Sott và đồng nghiệp ông hy vọng tìm ra cách mới để sử dụng chất thải nguy hại từ nhà máy điện hạt nhân khi chúng ngừng hoạt động.

“Đây thực sự là bước ngoặt,” Sophie Osbourne, một trong các thành viên đang làm việc chung nhóm với Scott, nói.

“Trong thời gian rất dài, chúng tôi đã thu thập chất thải hạt nhân, và giờ đây ta không cần phải nói về những nhà kho chứa dài hạn nữa mà thực sự sử dụng chúng với mục đích làm ra điện.”

Dù các loại pin hóa chất như lithium-ion không vận hành tốt ở nhiệt độ cao, nhưng các loại pin kim cương bền vững có khả năng vận hành trong những môi trường thách thức nhất nơi cực kỳ khó thay pin, ví dụ như trong không gian, dưới đáy đại dương, hay có lẽ trên đỉnh núi lửa.

Chẳng hạn như sử dụng chúng giúp cho vệ tinh và các cảm biến vi tính vận hành sẽ là phương án hoàn hảo.

“Các viên pin này cực kỳ nhỏ,” Scott nói. Đến nay, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra pin kim cương sản sinh ra dòng điện 1,8 volt – tương đương với pin AA – mặc dù nó có dòng điện thấp hơn rất nhiều.

Về mặt kỹ thuật, người ta cũng có thể sạc loại pin này, nhưng cũng mất vài giờ để bên trong lõi phản ứng đạt đến mức cung cấp điện như ban đầu, Scott cho biết.

Dòng điện nhỏ giọt bền vững sinh ra từ hoạt động phân rã hạt nhân có nghĩa là chúng sẽ tạo ra điện trong thời gian cực kỳ dài – carbon có tuổi thọ nửa đời là 5.730 năm.

Dù được làm từ kim cương, nhưng có vẻ như chúng không hề đắt. “Bạn sẽ ngạc nhiên khi thấy những viên kim cương nhân tạo giá rẻ tới mức nào,” Scott nói.

Trong một hai thập niên tới, Scott tin rằng chúng ta thậm chí có thể bắt đầu thấy những viên kim cương có tuổi thọ cực dài xuất hiện trong nhà, có lẽ trong thiết bị báo cháy, đồ điều khiển TV hay trong ứng dụng y tế như thiết bị trợ thính hay máy tạo nhịp tim.

Ta có thể sẽ không bao giờ phải vất vả thay pin bị hỏng trong thiết bị báo cháy giữa đêm khuya nữa.