Trong thập kỷ qua, nhà khoa học Johanna Nelson Weker của SLAC đã theo dõi hàng trăm cục pin sạc, xả và cuối cùng là xì hơi. Nghiên cứu của nhóm cô ấy đã cải thiện hiểu biết về độ tin cậy của pin. Cần có nhiều loại pin đáng tin cậy hơn để cung cấp năng lượng cho nhiều thứ hơn bao giờ hết, bao gồm các cơ sở lưu trữ lưới điện, ô tô, xe tải và thậm chí cả máy thổi lá.
Tuy nhiên, câu chuyện về sự phổ biến của pin không thể chỉ tập trung vào hiệu suất trước tiên, Nelson Weker nói. Ngành công nghiệp đã đến ngã rẽ lớn tiếp theo trên con đường: cách chế tạo pin bằng cách sử dụng các vật liệu khai thác dồi dào và có đạo đức. Loại pin phổ biến nhất hiện nay, lithium ion , yêu cầu các vật liệu khó tìm nguồn—và một số trong số đó đã ghi nhận các quan ngại về nhân quyền liên quan đến các hoạt động khai thác bên ngoài Hoa Kỳ.
Nhóm của Nelson Weker tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng hiện đang tập trung vào việc tìm cách thiết kế pin sử dụng các vật liệu thay thế, như kẽm và mangan, thay vì lithium và coban. Họ làm điều này tại Nguồn sáng bức xạ synchrotron Stanford (SSRL) của phòng thí nghiệm, đặc biệt bằng cách hạ gục các mẫu vật liệu pin bằng tia X mạnh, sáng của cơ sở. Tia X cho phép các nhà nghiên cứu hiểu được hành vi nguyên tử của pin khi nó sạc và phóng điện.
Trong phần hỏi đáp này, Nelson Weker cho chúng ta biết tương lai của thiết kế pin sẽ như thế nào.
Sự cấp bách đằng sau việc thiết kế pin bền vững hơn là gì?
Chúng tôi đã đạt đến điểm mà chúng tôi biết cách tạo ra những loại pin tốt hoạt động tốt cho nhiều ứng dụng, chẳng hạn như lái xe điện. Vì vậy, không cần phải chứng minh rằng pin có thể theo kịp hiệu suất với các nguồn năng lượng khác .
Bây giờ chúng tôi muốn xây dựng chúng theo cách thậm chí còn bền vững hơn, chẳng hạn như bằng cách sử dụng các vật liệu phong phú, thay vì lithium và coban, vốn là những nguồn tài nguyên hạn chế hơn.
Ngoài ra, người tiêu dùng đang được giáo dục về tác động môi trường của việc chế tạo thứ gì đó như xe điện và họ muốn giúp giảm chất thải, tăng khả năng tái chế và loại bỏ hóa chất độc hại khỏi pin. Đó là lúc việc sử dụng nhiều vật liệu pin phong phú hơn, như kẽm và mangan, trở nên quan trọng. Những thứ này có thể làm giảm tác động tiêu cực của vật liệu khai thác.
Bạn đang thực hiện dự án nghiên cứu về pin nào?
Chúng tôi có một vài dự án chính, dự án đầu tiên liên quan đến việc tìm cách giảm lượng coban trong pin EV. Cobalt là một nguồn tài nguyên khó khai thác và có những vấn đề chính trị xã hội liên quan đến việc khai thác nó. Chúng tôi muốn phát triển một loại pin EV cần ít hoặc không cần coban nhưng vẫn có thể sạc nhanh như pin EV bình thường. Mọi người muốn xe điện sạc nhanh, vì vậy việc duy trì khả năng này là rất quan trọng.
Dự án thứ hai là làm thế nào để sử dụng muối đá hỗn loạn trong cực âm hoặc cực dương của pin. Muối mỏ rối loạn (DRX) có cấu trúc nguyên tử ngẫu nhiên hơn so với cực âm truyền thống và có thể làm giảm hoặc loại bỏ nhu cầu sử dụng coban và niken trong cực âm. Chúng tôi đang làm việc với Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và vấn đề đầu tiên chúng tôi cần giải quyết là tại sao chỉ một số DRX nhất định hoạt động như cực âm. Tại SLAC, chúng tôi dự định sử dụng SSRL để nghiên cứu cấu trúc hóa học của các cấu trúc DRX để hiểu quy trình tổng hợp thành sản phẩm cuối cùng. Đôi khi bạn thử và tổng hợp một tài liệu như DRX và bạn không đạt được tỷ lệ các yếu tố khác nhau mà bạn đang hướng tới.
Chúng tôi cũng đang xem xét cách thiết kế một loại pin sử dụng kẽm hoặc lưu huỳnh . Lưu huỳnh là một nguyên tố siêu dồi dào trên Trái đất. Nó thực sự là một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp dầu mỏ, nơi nó được coi là chất thải.
Những thiết kế pin thay thế này có thể cải thiện hiệu suất không?
Không nhất thiết, và điều đó không sao cả. Chúng tôi nghĩ rằng hiệu suất không phải là yếu tố thiết kế quan trọng duy nhất nếu chúng ta muốn pin trở nên hữu dụng hơn trong toàn xã hội.
Do đó, mục tiêu chính của chúng tôi là thiết kế các loại pin hoạt động giống như pin lithium-ion phổ biến, nhưng bằng các vật liệu phổ biến rộng rãi và được khai thác một cách có đạo đức hơn.
Bạn đang tìm kiếm những vật liệu thay thế nào khác?
Kẽm là một trong những mục yêu thích của tôi vì nó sử dụng ion đa hóa trị, nghĩa là nó có thể cung cấp hai điện tử trong quá trình phóng điện của pin, trong khi lithium chỉ cung cấp một điện tử. Kẽm cũng hoạt động với chất điện phân gốc nước, làm giảm nguy cơ hỏa hoạn liên quan đến pin. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho các cơ sở lưu trữ năng lượng lớn cho lưới điện.
Sự đánh đổi là kẽm nặng hơn lithium, có nghĩa là nó sẽ làm tăng trọng lượng tổng thể của một thứ như EV. Có rất nhiều cơ hội để cải tiến với pin kẽm, tương tự như khối lượng cơ hội để cải tiến mà chúng tôi đã có với pin lithium-ion 20 năm trước. Pin kẽm cũng được tái chế thường xuyên hơn pin lithium. Đó là một điều bổ sung tuyệt vời—đã có sẵn một cơ chế để tái chế pin kẽm .
Khoa học tia X tại SSRL giúp nhóm của bạn nghiên cứu về pin như thế nào?
Tại SSRL, chúng tôi có thể nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của pin và sự chuyển động của các ion và electron trong khi chúng tôi vận hành chúng. Điều này cho phép chúng tôi theo dõi hoạt động của pin qua nhiều chu kỳ và xác định nguyên nhân khiến chúng xuống cấp và hỏng hóc.
Chúng ta cũng có thể xem xét quá trình tổng hợp các thành phần của pin—tất cả các pha hóa học trung gian xảy ra trong các phản ứng của pin. Lập bản đồ các bước trung gian giúp hiểu sâu hơn về cách cải thiện quá trình tổng hợp vật liệu pin.
Bạn có khám phá về pin yêu thích tại SSRL không?
Đây là một câu hỏi hóc búa vì nghiên cứu có xu hướng tập trung vào một loạt các chiến thắng nhỏ hơn là các khoảnh khắc riêng biệt. Tôi đoán đã có lúc chúng tôi xác nhận rằng chúng tôi có thể sử dụng nhiễu xạ tia X để lập bản đồ mạ kim loại lithium—thứ có thể khiến pin bị hỏng—mà không cần phải tháo rời chúng. Thông thường để xác nhận lớp mạ lithium, các nhà khoa học tháo rời pin để kiểm tra bằng mắt thường.
Bạn hào hứng nhất khi thấy điều gì trong nghiên cứu về pin trong 5 năm tới?
Nhận được vật liệu catốt phong phú hơn. Điều quan trọng là chúng tôi không chỉ cố gắng theo đuổi công suất và hiệu suất cao hơn. Một lần nữa, chúng tôi đang cố gắng nghĩ về tất cả những thứ khác quan trọng khi thiết kế một loại pin tốt hơn hoặc bất cứ thứ gì cho vấn đề đó.
Tôi cũng rất vui khi thấy trọng tâm của ngành chuyển sang tập trung vào công nghệ lưu trữ pin cố định. Trong lịch sử, nghiên cứu về pin lithium-ion đã được thúc đẩy bởi các thiết bị điện tử tiêu dùng. Sau đó, trong 10 năm qua, nó đã được thúc đẩy bởi EVs. Bây giờ cuối cùng cũng là lúc lực đẩy không đến từ hai thứ đó. Nó sẽ xuất phát từ nhu cầu lưu trữ năng lượng trong thời gian dài.
