Pin nhiên liệu natri của MIT cung cấp năng lượng cho máy bay, thu giữ carbon và vượt trội hơn pin
Tác giả: David L. Chandler, Viện Công nghệ Massachusetts
Một pin nhiên liệu natri-không khí mới tăng gấp ba lần mật độ năng lượng của pin lithium và có thể cho phép sử dụng máy bay điện. Pin này an toàn hơn, không phát thải carbon và được chế tạo từ các vật liệu rẻ tiền, dồi dào — với một công ty khởi nghiệp đang nỗ lực thương mại hóa pin này. Tín dụng: Shutterstock
Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển một pin nhiên liệu natri-không khí mang tính cách mạng có thể thay thế pin lithium-ion nặng trong vận tải hàng không, đường sắt và đường biển.
Sử dụng natri lỏng và không khí xung quanh, hệ thống này cung cấp gấp ba lần mật độ năng lượng của pin EV hiện tại — có khả năng cho phép sử dụng máy bay điện. Pin này không thải ra carbon dioxide và thậm chí còn thu giữ CO2 từ không khí, tạo ra baking soda như một sản phẩm phụ.
Đột phá về pin nhiên liệu cho quá trình điện khí hóa giao thông
Pin truyền thống đang bắt đầu đạt đến giới hạn về lượng năng lượng mà chúng có thể lưu trữ cho trọng lượng của chúng. Đó là rào cản lớn đối với tương lai của phương tiện giao thông chạy bằng điện, đặc biệt là đối với các loại máy móc ngốn năng lượng như máy bay, tàu hỏa và tàu thủy. Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT và cộng sự của họ có thể đã tìm ra cách giải quyết — và điều đó thật thú vị.
Thay vì pin, thiết kế mới của họ là một pin nhiên liệu. Giống như pin, nó tạo ra điện thông qua các phản ứng hóa học, nhưng có một lợi thế lớn: nó có thể được nạp lại nhiên liệu nhanh chóng thay vì sạc lại chậm. Pin nhiên liệu đặc biệt này sử dụng kim loại natri lỏng, một vật liệu giá rẻ và có sẵn rộng rãi, làm nguồn năng lượng. Thành phần còn lại? Không khí thông thường. Một lớp gốm rắn giữa chúng giúp các ion natri di chuyển qua, trong khi một điện cực đặc biệt ở phía không khí tạo ra phản ứng tạo ra điện.
Mật độ năng lượng gấp ba lần so với Lithium-Ion
Khi nhóm thử nghiệm một nguyên mẫu, kết quả thật đáng kinh ngạc. Pin nhiên liệu natri-không khí lưu trữ năng lượng nhiều hơn gấp ba lần trên một kilôgam so với pin lithium-ion được sử dụng trong các loại xe điện hiện nay. Đó là một bước tiến vượt bậc. Những phát hiện, được công bố vào ngày 27 tháng 5 trên tạp chí Joule, đến từ các nghiên cứu sinh tiến sĩ của MIT là Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Giáo sư Yet-Ming Chiang và các đồng nghiệp.
Một tế bào H được biến đổi bằng điện cực và màng gốm dẫn ion để tiến hành các thí nghiệm về tế bào nhiên liệu natri-không khí. Nguồn: Gretchen Ertl
Mật độ năng lượng cao có thể cho phép bay bằng điện
“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 họ không nghĩ vậy, 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 — không hề gần với 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 phần trăm các chuyến bay nội địa và 30 phần trăm 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. Ông cho biết: "Tất cả chúng đều yêu cầu mật độ năng lượng rất cao và tất cả đều yêu cầu chi phí thấp". "Và đó là lý do thu hút chúng tôi đến với kim loại natri".
Vượt ra ngoài pin: Ưu điểm của pin nhiên liệu kim loại-không khí
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. Chiang cho biết: "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".
Bằng cách sử dụng cùng một khái niệm điện hóa cơ bản, chỉ biến nó thành 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 hộp đựng, với pin nhiên liệu, vật liệu mang năng lượng sẽ đi vào và đi ra.
Nhóm nghiên cứu, từ trái sang phải: Saahir Ganti-Agrawal, Karen Sugano, Sunil Mair và Yet-Ming Chang. Nguồn: Gretchen Ertl
Các nguyên mẫu giới thiệu các thiết kế pin khả thi
Nhóm đã sản xuất hai phiên bản khác nhau của nguyên mẫu hệ thống quy mô phòng thí nghiệm. Trong một, được gọi là tế bào H, hai ống thủy tinh thẳng đứng được kết nối bằng một ống ở giữa, chứa một chất rắn
vật liệu điện phân gốm và điện cực 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 khí xốp, giúp 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 hơn 1.500 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.
Không phát thải carbon — Và thu giữ carbon
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 sản phẩm phụ hóa học của nó được giải phóng, và trong trường hợp máy bay, nó 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 — dễ dàng kết hợp với carbon dioxide để tạo thành một vật liệu rắn, natri cacbonat, sau đó tạo thành natri bicarbonate, hay còn gọi là baking soda.
Một ví dụ về nguyên mẫu quy mô phòng thí nghiệm của hệ thống được gọi là tế bào dòng chảy. Tín dụng: Gretchen Ertl
“Có một chuỗi phản ứng tự nhiên xảy ra khi bạn bắt đầu với kim loại natri,” Chiang nói. “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 bicarbonate, 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.
An toàn tích hợp: Tại sao pin nhiên liệu có thể đánh bại pin
Điều 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 độ 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 gặp phải phản ứng mất kiểm soát". Nhưng trong pin nhiên liệu này, một bên chỉ là không khí, "bị pha loãng 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 muốn có một pin nhiên liệu hơn là một pin vì lý do an toàn".
Mặc dù cho đến nay thiết bị này chỉ tồn tại dưới dạng nguyên mẫu một pin 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.
Trong ảnh là một lọ kim loại natri nóng chảy dạng lỏng. Tín dụng: Gretchen Ertl
Natri: Dồi dào, Rẻ và Dễ nạp nhiên liệu
Việc sản xuất đủ kim loại natri để có thể triển khai công nghệ này trên toàn cầu một cách rộng rãi, toàn diện sẽ là điều khả thi, vì vật liệu này đã từng được sản xuất ở quy mô lớn trước đây. Khi xăng pha chì là chuẩn mực, trước khi nó bị loại bỏ dần, kim loại natri đã được sử dụng để tạo ra chì tetraethyl dùng làm chất phụ gia và nó 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 ở 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, được phân phối rộng rãi trên toàn thế giới và dễ dàng chiết xuất, không giống như lithium và các vật liệu khác được sử dụng trong pin EV ngày nay.
Hộp mực có thể nạp lại và Bằng chứng về khái niệm năng lượng máy bay không người lái
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 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, nhằm chứng minh khái niệm này dưới 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 bằng oxy nguyên chất, rồi bằng không khí, cô phát hiện ra rằng lượng độ ẩm trong không khí đóng vai trò quan trọng trong việc làm cho phản ứng điện hóa diễn ra hiệu quả. Không khí ẩm khiến natri tạo ra các sản phẩm xả ở dạng lỏng thay vì dạng rắn, giúp loại bỏ chúng dễ dàng hơn nhiều bằng luồng không khí đi qua hệ thống. Cô cho biết: "Điều quan trọng là chúng ta có thể tạo ra sản phẩm xả dạng lỏng này và loại bỏ nó một cách dễ dàng, trái ngược với chất thải rắn sẽ hình thành trong điều kiện khô".
Kết hợp các lĩnh vực kỹ thuật để đạt được lợi ích triệt để
Ganti-Agrawal lưu ý rằng nhóm nghiên cứu 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. Ông cho biết "Chúng tôi đang lấy từ nghiên cứu pin nhiên liệu về mặt thiết kế điện cực, chúng tôi đang lấy từ nghiên cứu pin nhiệt độ cao cũ hơn cũng như một số nghiên cứu pin natri-không khí mới ra đời và kết hợp chúng lại với nhau", dẫn đến "sự gia tăng lớn về hiệu suất" mà nhóm đã đạt được.
Tài liệu tham khảo: "Pin nhiên liệu natri-không khí cho mật độ năng lượng cao và điện năng giá rẻ" của Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Alden S. Friesen, Kailash Raman, William H. Woodford, Shashank Sripad, Venkatasubramanian Viswanathan và Yet-Ming Chiang, ngày 27 tháng 5 năm 2025, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2025.101962
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. Công trình này được hỗ trợ bởi ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures và National Science Foundation, và sử dụng các cơ sở tại MIT.nano.
