Pin Nhiên Liệu Mới Có Thể Thúc Đẩy Hàng Không Điện

Pin Nhiên Liệu Mới Có Thể Thúc Đẩy Hàng Không Điện
Công nghệ này có thể cung cấp mật độ năng lượng gấp ba lần pin EV hiện nay, mở ra lựa chọn nhẹ hơn cho xe tải, máy bay và tàu thủy.
David L. Chandler | MIT News
Ngày xuất bản: 27/05/2025

Pin hiện tại đang gần đạt giới hạn về khả năng lưu trữ năng lượng theo trọng lượng – một trở ngại lớn cho đổi mới năng lượng và nỗ lực điện hóa máy bay, tàu hỏa và tàu thủy. Các nhà nghiên cứu tại MIT và cộng sự đã đưa ra một giải pháp mới có thể hỗ trợ quá trình này.

Thay vì pin, khái niệm mới là một loại pin nhiên liệu (fuel cell) – hoạt động giống pin nhưng có thể nạp nhiên liệu nhanh thay vì sạc điện. Nhiên liệu sử dụng là kim loại natri lỏng, một nguyên liệu rẻ và sẵn có. Phía còn lại của pin nhiên liệu là không khí bình thường, cung cấp oxy cho phản ứng. Giữa hai cực là lớp chất điện phân gốm rắn, cho phép ion natri di chuyển, và một điện cực xốp hướng về phía không khí giúp natri phản ứng hóa học với oxy để tạo điện.

Qua nhiều thử nghiệm nguyên mẫu, các nhà nghiên cứu chứng minh rằng pin nhiên liệu này có thể lưu trữ năng lượng gấp ba lần trên mỗi kilogram so với pin lithium-ion hiện dùng trong xe điện. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Joule, do nhóm nghiên cứu gồm các nghiên cứu sinh MIT Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Giáo sư Yet-Ming Chiang cùng các cộng sự thực hiện.

“Tôi kỳ vọng mọi người sẽ nghĩ rằng đây là một ý tưởng điên rồ,” – Giáo sư Chiang (Chủ nhiệm Bộ môn Gốm Kyocera) nói – “Nếu họ không nghĩ vậy, tôi sẽ thất vọng, vì những đổi mới mang tính cách mạng thường bắt đầu như vậy.”

Bước Đột Phá Cho Hàng Không Điện

Trong lĩnh vực hàng không, trọng lượng là yếu tố sống còn. Mức năng lượng cần thiết để bay điện thực tế khoảng 1.000 Wh/kg, trong khi pin lithium-ion hiện chỉ đạt khoảng 300 Wh/kg – còn cách rất xa. Dù chưa đủ cho các chuyến bay xuyên lục địa, mức này sẽ giúp điện hóa 80% chuyến bay nội địa và giảm 30% phát thải ngành hàng không.

Ngoài hàng không, công nghệ này còn ứng dụng tiềm năng trong vận tải biển và đường sắt, những ngành đòi hỏi mật độ năng lượng cao và chi phí thấp.

Vượt Khó Khăn của Pin Kim Loại – Không Khí

Trong ba thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu về pin lithium-air và sodium-air chưa thể biến chúng thành pin sạc hoàn chỉnh. Ý tưởng sử dụng kim loại và oxy rất hấp dẫn về lý thuyết, nhưng chưa thành công thực tế.

Nhóm MIT đã biến khái niệm này thành pin nhiên liệu thay vì pin thông thường. Điểm khác biệt:

• Pin truyền thống niêm phong vật liệu và chỉ dùng cho đến khi cạn.

• Pin nhiên liệu cho phép thay thế nhiên liệu vào và ra, giúp duy trì mật độ năng lượng cao một cách khả thi.

Thiết Kế và Nguyên Mẫu

Nhóm đã phát triển hai nguyên mẫu:

1. Cell hình chữ H – Hai ống thủy tinh thẳng đứng nối bởi ống ngang chứa điện phân gốm và điện cực xốp, một bên chứa natri lỏng, bên kia là không khí. Natri dần tiêu hao trong quá trình phản ứng.

2. Cell ngang – Một khay chứa điện phân, giữ natri lỏng bên trên và điện cực xốp ở đáy khay.

Thử nghiệm cho kết quả 1.500 Wh/kg ở mức cell, tương đương hơn 1.000 Wh/kg ở mức hệ thống, đạt ngưỡng cần thiết cho hàng không điện.

Cách Hoạt Động Trên Máy Bay

Các pin nhiên liệu được thiết kế dạng hộp nhiên liệu (fuel pack), giống như khay thức ăn trong nhà ăn, được đưa vào hệ thống. Trong quá trình cung cấp năng lượng:

• Natri bị tiêu hao, tạo phụ phẩm hóa học.

• Phụ phẩm này thoát ra ngoài máy bay tương tự khí thải động cơ phản lực.

• Không có CO₂ thải ra, thay vào đó là natri oxit, chất này hút CO₂ từ khí quyển, kết hợp với hơi ẩm tạo natri hydroxide, rồi biến thành natri carbonate/bicarbonate (baking soda).

Điều này không chỉ trung hòa carbon mà nếu sản phẩm cuối ra biển còn giảm độ axit của đại dương.

An Toàn và Khả Năng Thương Mại Hóa

Pin nhiên liệu này an toàn hơn pin mật độ cao thông thường:

• Sodium kim loại dễ cháy khi gặp ẩm, nhưng thiết kế cell này chỉ có một bên là natri, một bên là không khí loãng, giảm nguy cơ phản ứng dây chuyền.

Nhóm nghiên cứu đã thành lập công ty Propel Aero để phát triển công nghệ này, dự kiến có thể sản xuất quy mô lớn nhờ natri được khai thác dễ dàng từ muối (NaCl), từng sản xuất ở quy mô 200.000 tấn/năm tại Mỹ thời xăng pha chì.

Hệ thống sẽ sử dụng hộp nhiên liệu nạp lại chứa natri lỏng. Khi cạn, hộp được đưa về trạm tái nạp. Natri nóng chảy ở 98°C – dễ dàng đun chảy để bơm vào hộp.

Ứng Dụng Thực Tiễn Ban Đầu

• Mẫu pin nhiên liệu cỡ viên gạch, cung cấp khoảng 1.000 Wh, đủ cho máy bay không người lái (drone) cỡ lớn, phục vụ nông nghiệp.

• Nhóm dự kiến trình diễn công nghệ trong năm tới.

Khám Phá Kỹ Thuật Quan Trọng

• Độ ẩm trong không khí là yếu tố then chốt.

• Không khí ẩm giúp sản phẩm phụ ở dạng lỏng, dễ loại bỏ hơn sản phẩm rắn hình thành trong điều kiện khô.

• Nhóm kết hợp kiến thức từ nghiên cứu pin nhiên liệu, pin nhiệt độ cao, và pin sodium-air, tạo ra bước đột phá hiệu suất.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures, National Science Foundation, và tiến hành tại MIT.nano.