Nguyên mẫu pin nhiên liệu natri-không khí có thể cung cấp năng lượng cho máy bay và tàu hỏa chạy điện

Nguyên mẫu pin nhiên liệu natri-không khí có thể cung cấp năng lượng cho máy bay và tàu hỏa chạy điện

    Nguyên mẫu pin nhiên liệu natri-không khí có thể cung cấp năng lượng cho máy bay và tàu hỏa chạy điện
    của Viện Công nghệ Massachusetts

    New fuel cell could enable electric aviation

    Một pin H được cải tiến bằng điện cực và màng gốm dẫn ion để tiến hành các thí nghiệm về pin nhiên liệu natri-không khí. Nguồn: Gretchen Ertl


    Pin đang tiến gần đến giới hạn về lượng điện năng mà chúng có thể lưu trữ cho một trọng lượng nhất định. Đó là một trở ngại nghiêm trọng đối với đổi mới năng lượng và tìm kiếm những cách mới để cung cấp năng lượng cho máy bay, tàu hỏa và tàu thủy. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại MIT và những nơi khác đã đưa ra một giải pháp có thể giúp điện khí hóa các hệ thống vận tải này.

    Thay vì pin, khái niệm mới là một loại pin nhiên liệu tương tự như pin nhưng có thể nạp lại nhiên liệu nhanh chóng thay vì sạc lại. Trong trường hợp này, nhiên liệu là kim loại natri lỏng, một loại hàng hóa rẻ tiền và có sẵn rộng rãi.

    Mặt bên kia của pin chỉ là không khí thông thường, đóng vai trò là nguồn cung cấp nguyên tử oxy. Ở giữa, một lớp vật liệu gốm rắn đóng vai trò là chất điện phân, cho phép các ion natri đi qua tự do và một điện cực xốp hướng ra không khí giúp natri phản ứng hóa học với oxy và tạo ra điện.

    Trong một loạt các thí nghiệm với một thiết bị nguyên mẫu, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng loại pin này có thể mang nhiều năng lượng gấp ba lần trên một đơn vị trọng lượng so với pin lithium-ion được sử dụng trong hầu hết mọi loại xe điện hiện nay.

    Những phát hiện của họ được công bố trên tạp chí Joule, trong một bài báo của các nghiên cứu sinh tiến sĩ MIT Karen Sugano, Sunil Mair và Saahir Ganti-Agrawal; giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật Yet-Ming Chiang; và năm người khác.

    "Chúng tôi mong mọi người nghĩ rằng đây là một ý tưởng hoàn toàn điên rồ", Chiang, Giáo sư Gốm sứ Kyocera, cho biết. "Nếu không, tôi sẽ hơi thất vọng vì nếu mọi người không nghĩ rằng điều gì đó hoàn toàn điên rồ ngay từ đầu, thì có lẽ nó sẽ không mang tính cách mạng đến vậy".

    Và công nghệ này dường như có tiềm năng mang tính cách mạng, ông gợi ý. Đặc biệt, đối với ngành hàng không, nơi mà trọng lượng đặc biệt quan trọng, thì việc cải thiện mật độ năng lượng như vậy có thể là bước đột phá cuối cùng giúp cho chuyến bay chạy bằng điện trở nên khả thi ở quy mô đáng kể.

    Chiang cho biết "Ngưỡng mà bạn thực sự cần cho hàng không điện thực tế là khoảng 1.000 watt-giờ trên một kilôgam". Pin lithium-ion cho xe điện hiện nay đạt mức tối đa khoảng 300 watt-giờ trên một kilôgam—chưa bằng mức cần thiết. Ông cho biết ngay cả ở mức 1.000 watt-giờ trên một kilôgam, thì vẫn không đủ để thực hiện các chuyến bay xuyên lục địa hoặc xuyên Đại Tây Dương.

    Con số đó vẫn nằm ngoài tầm với của bất kỳ công nghệ hóa học pin nào đã biết, nhưng Chiang cho biết việc đạt được 1.000 watt trên một kilôgam sẽ là công nghệ hỗ trợ cho hàng không điện khu vực, chiếm khoảng 80% các chuyến bay nội địa và 30% lượng khí thải từ hàng không.

    Công nghệ này cũng có thể hỗ trợ cho các lĩnh vực khác, bao gồm vận tải đường biển và đường sắt. "Tất cả chúng đều đòi hỏi mật độ năng lượng rất cao và tất cả đều đòi hỏi chi phí thấp", ông nói. "Và đó là lý do khiến chúng tôi chú ý đến kim loại natri".

    Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển pin lithium-không khí hoặc natri-không khí trong ba thập kỷ qua, nhưng rất khó để làm cho chúng có thể sạc lại hoàn toàn.

    "Mọi người đã biết về mật độ năng lượng mà bạn có thể có được với pin kim loại-không khí trong một thời gian rất dài và điều đó rất hấp dẫn, nhưng nó chưa bao giờ được hiện thực hóa trong thực tế", Chiang nói.

    Bằng cách sử dụng cùng một khái niệm điện hóa cơ bản, chỉ biến nó thành một pin nhiên liệu thay vì pin, các nhà nghiên cứu đã có thể tận dụng được lợi thế của mật độ năng lượng cao ở dạng thực tế. Không giống như pin, có vật liệu được lắp ráp một lần và được niêm phong trong một thùng chứa, với pin nhiên liệu, vật liệu mang năng lượng đi vào và đi ra.

    Nhóm nghiên cứu đã sản xuất hai phiên bản khác nhau của nguyên mẫu hệ thống quy mô phòng thí nghiệm. Trong một phiên bản, được gọi là pin H, hai ống thủy tinh thẳng đứng được kết nối bằng một ống ở giữa, chứa vật liệu điện phân gốm rắn và điện cực không khí xốp.

    Kim loại natri lỏng lấp đầy ống ở một bên, và không khí chảy qua bên kia, cung cấp oxy cho phản ứng điện hóa ở trung tâm, phản ứng này cuối cùng sẽ tiêu thụ dần nhiên liệu natri. Nguyên mẫu còn lại sử dụng thiết kế nằm ngang, với khay vật liệu điện phân chứa nhiên liệu natri lỏng. Điện cực không khí xốp, tạo điều kiện cho phản ứng, được gắn vào đáy khay.

    Chiang cho biết các thử nghiệm sử dụng luồng không khí với mức độ ẩm được kiểm soát cẩn thận đã tạo ra mức gần 1.700 watt-giờ trên một kilôgam ở cấp độ của một "cột" riêng lẻ, tương đương với hơn 1.000 watt-giờ ở cấp độ toàn hệ thống.

    Các nhà nghiên cứu hình dung rằng để sử dụng hệ thống này trên máy bay, các gói nhiên liệu chứa các chồng ô, giống như giá đựng khay đựng thức ăn trong căng tin, sẽ được đưa vào các ô nhiên liệu; kim loại natri bên trong các gói này sẽ được chuyển đổi về mặt hóa học khi cung cấp năng lượng. Một luồng hóa chất của nó 

    sản phẩm phụ được thải ra, và trong trường hợp máy bay, sản phẩm này sẽ được thải ra phía sau, không giống như khí thải từ động cơ phản lực.

    Nhưng có một sự khác biệt rất lớn: sẽ không có khí thải carbon dioxide. Thay vào đó, khí thải, bao gồm natri oxit, thực sự sẽ hấp thụ carbon dioxide từ khí quyển.

    Hợp chất này sẽ nhanh chóng kết hợp với độ ẩm trong không khí để tạo thành natri hydroxit—một vật liệu thường được sử dụng làm chất thông cống—kết hợp dễ dàng với carbon dioxide để tạo thành một vật liệu rắn, natri cacbonat, sau đó tạo thành natri bicacbonat, hay còn gọi là baking soda.

    Chiang cho biết "Có một chuỗi phản ứng tự nhiên xảy ra khi bạn bắt đầu với kim loại natri". "Tất cả đều tự phát. Chúng ta không cần phải làm gì để thực hiện điều đó, chúng ta chỉ cần lái máy bay".

    Một lợi ích bổ sung là nếu sản phẩm cuối cùng, natri bicacbonat, trôi ra đại dương, nó có thể giúp khử axit trong nước, chống lại một trong những tác động gây hại khác của khí nhà kính.

    Sử dụng natri hydroxit để thu giữ carbon dioxide đã được đề xuất như một cách để giảm thiểu khí thải carbon, nhưng bản thân nó không phải là giải pháp kinh tế vì hợp chất này quá đắt. Chiang giải thích "Nhưng ở đây, nó là sản phẩm phụ", vì vậy về cơ bản là miễn phí, tạo ra lợi ích cho môi trường mà không mất phí.

    Quan trọng là, pin nhiên liệu mới về bản chất an toàn hơn nhiều loại pin khác, ông nói. Kim loại natri cực kỳ phản ứng và phải được bảo vệ tốt. Giống như pin lithium, natri có thể tự bốc cháy nếu tiếp xúc với hơi ẩm.

    Chiang cho biết "Bất cứ khi nào bạn có pin có mật độ năng lượng rất cao, vấn đề an toàn luôn được quan tâm, vì nếu màng ngăn cách hai chất phản ứng bị vỡ, bạn có thể có phản ứng mất kiểm soát".

    Nhưng trong pin nhiên liệu này, một bên chỉ là không khí, "là chất lỏng và hạn chế. Vì vậy, bạn không có hai chất phản ứng cô đặc ngay cạnh nhau. Nếu bạn đang thúc đẩy mật độ năng lượng thực sự, thực sự cao, bạn nên sử dụng pin nhiên liệu hơn là pin vì lý do an toàn".

    Mặc dù thiết bị này cho đến nay chỉ tồn tại dưới dạng nguyên mẫu tế bào đơn nhỏ, Chiang cho biết hệ thống này sẽ khá đơn giản để mở rộng quy mô lên kích thước thực tế để thương mại hóa. Các thành viên của nhóm nghiên cứu đã thành lập một công ty, Propel Aero, để phát triển công nghệ này. Công ty hiện đang có trụ sở tại vườn ươm khởi nghiệp của MIT, The Engine.

    Việc sản xuất đủ kim loại natri để cho phép triển khai công nghệ này trên toàn cầu, trên diện rộng sẽ là điều khả thi, vì vật liệu này đã được sản xuất trên quy mô lớn trước đây.

    Khi xăng pha chì là tiêu chuẩn, trước khi bị loại bỏ dần, kim loại natri đã được sử dụng để tạo ra tetraethyl chì dùng làm chất phụ gia và nó đã được sản xuất tại Hoa Kỳ với công suất 200.000 tấn một năm.

    Chiang cho biết "Điều này nhắc nhở chúng ta rằng kim loại natri đã từng được sản xuất trên quy mô lớn và được xử lý và phân phối an toàn trên khắp Hoa Kỳ".

    Hơn nữa, natri chủ yếu có nguồn gốc từ natri clorua hoặc muối, vì vậy nó rất dồi dào, phân bố rộng rãi trên toàn thế giới và dễ chiết xuất, không giống như lithium và các vật liệu khác được sử dụng trong pin EV ngày nay.

    Hệ thống mà họ hình dung sẽ sử dụng hộp mực có thể nạp lại, được đổ đầy kim loại natri lỏng và được niêm phong. Khi cạn kiệt, nó sẽ được đưa trở lại trạm nạp lại và nạp natri mới. Natri nóng chảy ở nhiệt độ 98 độ C, ngay dưới điểm sôi của nước, vì vậy rất dễ đun nóng đến điểm nóng chảy để nạp lại nhiên liệu cho hộp mực.

    Ban đầu, kế hoạch là sản xuất một pin nhiên liệu có kích thước bằng viên gạch có thể cung cấp khoảng 1.000 watt-giờ năng lượng, đủ để cung cấp năng lượng cho một máy bay không người lái lớn, để chứng minh khái niệm này ở dạng thực tế có thể được sử dụng cho nông nghiệp chẳng hạn. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ có một bản trình diễn như vậy trong năm tới.

    Sugano, người đã thực hiện phần lớn công việc thử nghiệm như một phần của luận án tiến sĩ và hiện sẽ làm việc tại công ty khởi nghiệp, cho biết một hiểu biết sâu sắc chính là tầm quan trọng của độ ẩm trong quá trình này. Khi cô thử nghiệm thiết bị với oxy nguyên chất, rồi với không khí, cô phát hiện ra rằng lượng độ ẩm trong không khí đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên hiệu quả của phản ứng điện hóa.

    Không khí ẩm khiến natri tạo ra các sản phẩm phóng điện ở dạng lỏng thay vì dạng rắn, giúp loại bỏ chúng dễ dàng hơn nhiều bằng luồng không khí đi qua hệ thống.

    "Điểm mấu chốt là chúng ta có thể tạo ra sản phẩm phóng điện dạng lỏng này và loại bỏ nó một cách dễ dàng, trái ngược với dạng phóng điện dạng rắn sẽ hình thành trong điều kiện khô", cô nói.

    Ganti-Agrawal lưu ý rằng nhóm đã lấy ý tưởng từ nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau. Ví dụ, đã có nhiều nghiên cứu về natri nhiệt độ cao, nhưng không có nghiên cứu nào có hệ thống kiểm soát độ ẩm.

    "Chúng tôi lấy ý tưởng từ nghiên cứu về pin nhiên liệu để thiết kế điện cực, chúng tôi lấy ý tưởng từ nghiên cứu về pin nhiệt độ cao cũ hơn cũng như một số nghiên cứu về pin natri-không khí mới ra đời, và kết hợp chúng lại với nhau", dẫn đến "bước đột phá lớn về hiệu suất" nhóm đã đạt được, ông nói.

    Nhóm nghiên cứu cũng bao gồm Alden Friesen, một thực tập sinh mùa hè của MIT, hiện đang theo học tại Trường trung học Desert Mountain ở Scottsdale, Arizona; Kailash Raman và William Woodford của Form Energy ở Somerville, Massachusetts; Shashank Sripad của And Battery Aero ở California và Venkatasubramanian Viswanathan của Đại học Michigan.

    Thông tin thêm: Pin nhiên liệu natri-không khí cho mật độ năng lượng cao và điện năng giá rẻ, Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.101962. www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00143-6

    Thông tin tạp chí: Joule

    Cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts

    Zalo
    Hotline