Là thiết bị biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện, kể từ khi được tạo ra đến nay, pin đã trở thành nguồn năng lượng thông dụng trong công nghiệp cũng như gia dụng. Với sự phát triển của KH&CN hiện đại, hàng loạt thiết bị điện tử sử dụng pin như máy tính xách tay, điện thoại di động,… đã ra đời. Và hiện nay, là cả các phương tiện vận chuyển. Pin là nguồn năng lượng xanh, nên rất được sự quan tâm của cộng đồng.
Khái quát về công nghệ pin
Thời điểm pin ra đời còn có nhiều tranh luận: trong khi xây dựng một tuyến đường sắt vào năm 1936 gần Baghdad, các công nhân đã phát hiện ra thứ dường như là một cục pin thời tiền sử. Vật thể này có từ thời đế chế Parthia và được cho là đã 2.000 năm tuổi. Pin bao gồm một bình đất sét chứa đầy dung dịch giấm, trong đó một thanh sắt được bao quanh bởi một hình trụ bằng đồng cắm vào. Thiết bị này tạo ra dòng điện từ 1,1-2,0 Volt (Hình 1).
Kết cấu pin Pathian (Nguồn: batteryuniversity.com)
Cho dù công cụ này, được gọi là “Pin Parthian” (theo thời kỳ lịch sử phát triển) hay “Pin Baghdad” (theo tên nơi phát hiện ra), có thể tạo ra điện, không phải tất cả các nhà khoa học đều chấp nhận đây là một nguồn năng lượng. Theo họ, thiết bị này cũng có thể đã được dùng để mạ vàng hoặc kim loại quý lên bề mặt nào đó.
Theo dòng thời gian, cùng với sự phát triển của nhân loại, công nghệ sản xuất pin cũng có nhiều biến chuyển đáng chú ý. Năm 1796, Volta đã khám phá ra ái lực điện tử khác nhau của các kim loại trong pin. Năm 1802, William Cruickshank thiết kế pin điện đầu tiên để sản xuất hàng loạt. Năm 1836, John F. Daniell, một nhà hóa học người Anh, đã phát triển được một loại pin có thể tạo ra dòng điện ổn định hơn so với các loại pin điện trước đó. Ngày 28/3/1842, Mỹ đã cấp bằng sáng chế (số US0002521) cho việc chế tạo và ứng dụng pin trong lĩnh vực y tế của ông Patrick Goad,...
Một số công nghệ sản xuất pin đã tồn tại hàng thế kỷ, hiện cũng đang được nghiên cứu ứng dụng theo các phương thức mới; ngoài ra, nhiều công nghệ mới nhằm tạo ra các thế hệ pin mới hơn, hướng đến các đối tượng sử dụng có tính di động, đặc biệt là xe điện, cũng đang được triển khai mạnh mẽ trên thế giới.
Công nghệ pin kẽm (Zinc Battery)
Pin kẽm có lịch sử lâu đời, từ những năm 1800, khi Alessandro Volta chế tạo pin hóa học đầu tiên sử dụng đồng và kẽm. Ngày nay, hầu hết các loại pin kiềm không thể sạc lại đều sử dụng các hóa chất trên cơ sở kẽm. Với mật độ năng lượng đến 200Wh/L, các nhà nghiên cứu cũng đang tìm kiếm các loại hợp chất kẽm tốt hơn cho lưu trữ điện, có thể kể đến như Niken-kẽm (NiZn), Kẽm-brôm (ZnBr) và Kẽm-không khí (Zn-air). Pin kẽm có ưu thế là nguyên liệu giá rẻ, khả năng tái chế đơn giản. Tuy nhiên, nhược điểm là các cực dương bằng kẽm có thể tạo các sợi nhánh làm đoản mạch pin chỉ sau vài trăm chu kỳ hoặc phản ứng với chất điện phân ngay cả khi pin không được phóng điện, khiến sụt giảm dung lượng của pin.
Công nghệ pin chì (Lead Battery)
Công nghệ pin chì cho hiệu suất 70-90%. Pin chì là một trong những loại pin phổ biến nhất, được sử dụng trong các xe ô tô và hệ thống điện dự phòng. Pin chì có chi phí sản xuất khá rẻ và đơn giản, tự xả thấp nhất trong số các loại pin sạc, công suất riêng cao, có khả năng phóng điện cao. Nhược điểm là khả năng sạc chậm (sạc bão hòa hoàn toàn mất 14–16 giờ), phải được bảo quản trong điều kiện tích điện để ngăn chặn quá trình sulfat hóa, tuổi thọ chu kỳ hạn chế và không thân thiện với môi trường. Pin chì có các loại như axít chì (lead acid), đệm sợi thủy tinh hấp thụ (absorbent glass mat), axít chì dạng gel (gel lead acid) và chì-carbon cao cấp (advanced lead-carbon) Những hạn chế về vật lý và kỹ thuật đã khiến pin chì không còn được các nhà phát triển quan tâm như pin Li-ion.
Công nghệ pin Niken-Cadmium (NiCd)
Được Waldemar Jungner tạo ra năm 1899, pin NiCd có nhiều ưu điểm hơn pin axit chì, vì đó là loại pin duy nhất có thể sạc. Tuy nhiên, vật liệu để tạo ra pin NiCd khá đắt tiền. Quá trình phát triển pin NiCd diễn ra khá chậm. Với việc lắng đọng các vật liệu hoạt động bên trong một điện cực mạ niken xốp và hấp thụ khí sinh ra trong quá trình sạc, người ta đã tạo ra pin NiCd kín hiện đại. Trong nhiều năm, NiCd là ưu tiên lựa chọn trong sản xuất các loại radio thu phát, thiết bị y tế khẩn cấp, máy quay video chuyên nghiệp và dụng cụ điện.
NiCd vẫn là một trong những loại pin ổn định và dễ sử dụng nhất. Ngành hàng không vẫn trung thành với sản phẩm này, nhưng loại pin này cần được quan tâm nghiên cứu để nâng cao tuổi thọ. NiCd có hiệu ứng bộ nhớ gây mất dung lượng nếu không thường xuyên thực hiện chu kỳ xả điện hoàn toàn. Pin ghi nhớ mức năng lượng đã cung cấp trước đó và sẽ không cung cấp nhiều hơn nữa.
Công nghệ pin Natri-ion (Sodium-ion Battery)
Pin Natri-ion có hiệu suất 80-85%, nguồn nguyên liệu thô rất phong phú (không có giới hạn cho việc cung ứng của bất kỳ dẫn xuất natri nào). Pin Natri-ion nặng và cần nhiều không gian hơn pin Li-ion nên không phù hợp với xu thế di chuyển (các thiết bị di động). Chúng thích hợp cho việc lưu trữ năng lượng ở những nơi có điều kiện không gian rộng rãi. Pin Natri-ion cho phép xả hoàn toàn mà không bị hư hỏng. Nhược điểm của nó là các nguyên tử lớn hơn so với Li-ion, do vậy dung lượng lưu trữ điện thấp hơn. Tuy nhiên, những thách thức này đang được các thiết kế/công nghệ pin mới nhất xử lý.
Công nghệ pin thể rắn (Solid-state Battery)
Pin thể rắn có hiệu suất 70-90%, thành phần tương tự như pin thông thường: vẫn có một điện cực ở mỗi bên và các phần tử trong ô giống nhau. Điểm khác biệt chính ở chỗ chất điện phân là chất rắn, thay vì là chất lỏng. Chất điện phân rắn hoạt động như một chất phân tách, cũng như chất mang điện tử. Điều này cho phép pin thể rắn gia tăng các thông số, như mật độ năng lượng/công suất, đồng thời giúp pin chống được hiện tượng thoát nhiệt. Ưu điểm của pin thể rắn là gồm các lớp rắn (thay vì hỗn hợp các thành phần rắn và lỏng) nên kích thước nhỏ và nhẹ. Pin có phạm vi ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử tiêu dùng đến giao thông vận tải. Nhược điểm của pin thể rắn là công nghệ này vẫn đang được phát triển bởi các nhà sản xuất nhưng chưa nhiều giải pháp khả thi về mặt thương mại. Ngoài ra, pin thể rắn cần được làm nóng để hoạt động ở mức tối ưu, nên năng lượng này cũng phải sử dụng cả cho pin, thay vì chỉ cho tải, nên giảm hiệu quả tổng thể.
Công nghệ pin Li-ion (Li-ion Battery)
Là loại pin có thể sạc, được các doanh nghiệp điện tử lớn khai thác từ những năm 1990, hiện là công nghệ pin phổ biến nhất được sử dụng ngày nay. Giống như các loại pin khác, pin Li-ion có thành phần cơ bản là một chất điện phân, điện cực dương, điện cực âm và các ion Lithium. Pin Li-ion sử dụng chất điện phân là dung dịch hữu cơ, làm nhiệm vụ trao đổi ion giữa các điện cực. Dung môi này là chất rất dễ cháy nên pin Li-ion thiếu ổn định và dễ bắt cháy, hoặc phát nổ, nếu sử dụng sai. Do không có hiệu ứng bộ nhớ nên pin không bị mất dung lượng lưu trữ. Pin Li-ion khó tạo hình sản phẩm và bị lão hóa khi không sử dụng. Tuổi thọ của pin Li-ion không dài và bị suy giảm đáng kể trong vài năm đầu tiên (sau 5 năm sử dụng, pin có thể chỉ còn ở mức 70-90% dung lượng ban đầu).
Công nghệ pin Li-ion vô cơ/thay thế (Alternative/inorganic Li-ion)
Pin Li-ion vô cơ/thay thế có các đặc tính mà Lithium hỗ trợ về khả năng lưu trữ năng lượng, nhưng không bị các hạn chế như thoát nhiệt, nhờ tạo ra tế bào ổn định hơn và giảm thiểu các phản ứng phụ, cũng như sử dụng các cấu phần không gây ra hiện tượng nóng cục bộ. Chúng cũng có thể phóng điện hoàn toàn 100% mà không bị hư hỏng. Loại pin này không có thành phần dễ cháy, dung môi và muối kết hợp tạo ra dung dịch không bắt lửa nên không có nguy cơ bắt lửa, hỏa hoạn và có độ dẫn điện cao hơn. Các quy trình sản xuất pin theo công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn đầu phát triển.
Công nghệ pin kim loại lỏng (Liquid Metal Batteries)
Pin kim loại lỏng sử dụng calci và antimony để lưu trữ năng lượng. Pin kim loại lỏng bao gồm cực dương bằng hợp kim calci lỏng, chất điện phân muối nóng chảy (dựa trên calci) và cực âm bao gồm các hạt antimony rắn.
Trong các tế bào pin có sự chuyển đổi qua lại giữa việc tạo hợp kim và khử trong quá trình sạc và xả. Chất điện phân ổn định về mặt nhiệt động với các điện cực, tránh các phản ứng phụ như tạo màng làm giảm hiệu suất của các chất hóa học khác. Điện cực âm được xử lý hoàn toàn khi phóng điện, và sau đó được tái tạo trong mỗi chu kỳ, tạo ra quá trình lặp không bị hiệu ứng bộ nhớ. Ưu điểm là các tế bào có khả năng chịu tải cao (khi sạc hoặc xả quá mức) và không bị thoát nhiệt, phân hủy chất điện phân hoặc thải khí điện phân. Nhược điểm của pin kim loại lỏng là khi hoạt động, nhiệt độ bên trong rất cao. Công nghệ pin kim loại lỏng hiện đang trong giai đoạn đầu thương mại hóa.
Năng lượng xanh - động lực thúc đẩy ngành sản xuất pin-ắc quy
Như các chuyên gia đã thống nhất, năng lượng xanh là yếu tố quan trọng cho sự phát triển lâu dài của nhân loại. Minh chứng là sự bùng nổ trong ngành sản xuất xe điện (ô tô điện, xe máy điện), với hàng loạt mẫu xe và các nhà sản xuất mới trong thời gian gần đây. Do vậy, thị trường sản xuất pin, đặc biệt là pin dùng cho xe điện rất được chú ý về chất lượng, giá thành và những biến chuyển về công nghệ. Theo báo cáo của ResearchAndMarkets, thị trường pin xe điện toàn cầu ước tăng từ 56,4 tỷ USD năm 2022 lên 134,6 tỷ USD ở năm 2027, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 19%.
Dự báo tăng trưởng thị trường pin xe điện toàn cầu (Nguồn: yahoo!finance)
Thị trường pin xe điện được thúc đẩy bởi các yếu tố như nhu cầu ngày càng tăng đối với xe điện, những tiến bộ trong công nghệ sản xuất pin, các chính sách và quy định thuận lợi của chính phủ cũng như sự ra đời của các mẫu xe điện mới. Các chính phủ trên khắp thế giới đang thúc đẩy việc sử dụng các phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế, do những lo ngại ngày càng tăng về tác động môi trường của phương tiện sử dụng xăng dầu thông thường. Xe điện, những chiếc xe không phát thải đang ngày càng trở nên phổ biến trong giao thông công cộng, thân thiện với môi trường trên toàn thế giới. Hiện nay pin Li-ion đang là sự lựa chọn phổ biến cho các dòng xe điện, nhờ những ưu điểm vượt trội của nó so với các dòng pin khác, giúp những chiếc xe điện trở nên quen thuộc hơn với cộng đồng. Để thúc đẩy việc sử dụng xe điện, chính phủ nhiều quốc gia đã thiết lập các cơ chế ưu đãi về tài chính như miễn và hoàn thuế, trợ cấp, giảm phí đỗ xe/thu phí cho xe điện, cung cấp dịch vụ sạc miễn phí,... Do đó, nhu cầu về pin cũng đang tăng nhanh trên diện rộng.
Năng lượng và an ninh năng lượng là yếu tố then chốt của mọi chiến lược phát triển, không chỉ sản xuất năng lượng sạch mà còn là dự trữ, vận chuyển linh hoạt đến tất cả những nơi có nhu cầu. Do vậy, một trong những cuộc đua lớn chính là sản xuất pin. Tại Việt Nam, các nhà khoa học trong nước cũng đã có một số thành quả ban đầu về nghiên cứu, ứng dụng liên quan đến sản xuất pin. Tuy nhiên, những nghiên cứu về sản xuất pin Li-ion vẫn còn khá khiêm tốn. Một số nghiên cứu về vật liệu làm điện cực cho pin Li-ion, có thể điểm qua như nhiệm vụ cấp Quốc gia “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Ti và F pha tạp cấu trúc compozit spinel/layered của vật liệu cathode giàu Li và Mn ứng dụng cho pin Li-ion” do TS. Vũ Ngọc Hùng (Trường Đại học PHENIKAA) làm chủ nhiệm, báo cáo năm 2022 và nhiệm vụ cấp Tỉnh “Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite LiFePO4/carbon black ketjen EC-600JD làm điện cực cathode cho pin sạc lithi hoặc dung dịch điện giải” do TS. Nguyễn Thị Mỹ Anh (Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM) làm chủ nhiệm, báo cáo năm 2019 nhằm tạo ra điện cực dương cho pin Li-ion. Về sản xuất cực âm, có các nhiệm vụ cấp Quốc gia như “Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở thiếc ứng dụng làm vật liệu điện cực dung lượng cao cho nguồn điện hiện đại” của TS. Lê Thị Thu Hằng (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) làm chủ nhiệm, báo cáo năm 2021, đã xác định được các đặc trưng hình thái cấu trúc, đặc tính lý hóa, đặc tính hóa của vật liệu tổng hợp và ứng dụng vật liệu composite làm vật liệu điện cực anode; “Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu MS2 (M = Mo, W) có cấu trúc nano để làm điện cực anốt hiệu năng cao cho pin liti” của PGS.TS. Võ Viễn (Trường Đại học Quy Nhơn), báo cáo năm 2019, đã chế tạo điện cực anode trên cơ sở các composite mới tổng hợp được. Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM, năm 2019, cũng đã hoàn tất nhiệm vụ cấp Tỉnh “Chế tạo vật liệu và lắp ráp pin li-ion dạng cúc áo”. Nhóm nghiên cứu do PGS. TS. Trần Văn Mẫn làm chủ nhiệm đã hoàn thiện quy trình lắp ráp pin sạc Li-ion từ điện cực âm LixC và điện cực dương LiNi0,5Mn1,5O4 cùng hệ dung dịch diện giải EC-EMC (3:7) + 1.2M LiPF6 + 1 %wt. VC. Pin Li-ion hoàn chỉnh hoạt động ổn định trong 100 chu kỳ, với dung lượng đạt 90 mAh/g.
***
Theo các chuyên gia, những yêu cầu ngày càng cao của thị trường về chất lượng pin như thời gian sạc, tuổi thọ pin, khả năng lưu trữ năng lượng và giá thành đang là những thử thách mà ngành công nghiệp pin cần phải vượt qua. Có thể thấy, cho dù đã có những nghiên cứu chế tạo từng phần hoặc tổng thể pin Li-ion, nhưng thách thức vẫn còn rất lớn đối với các nhà nghiên cứu và sản xuất trong nước để tiếp cận thị trường pin thế giới.
Tuấn Kiệt
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
[1] Alternative Battery Technology Review. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/topic/alternative-battery-technology-review.html
[2] Learn About Batteries. https://batteryuniversity.com/articles
[3] Research and Markets. Global EV battery market report 2022: Faster charging speed to enable plug and charge use of EVs. https://finance.yahoo.com/news/global-ev-battery-market-report-085300045.html
[4] CESTI. Cơ sở dữ liệu Kết quả thực hiện nhiệm vụ KH&CN. http://www.cesti.gov.vn/thu-vien/15/ket-qua-thuc-hien-nhiem-vu-khcn
[5] VISTA. Cơ sở dữ liệu nhiệm vụ KH&CN. https://sti.vista.gov.vn/