Ba công nghệ pin trụ cột để cung cấp năng lượng cho tương lai

Thế giới cần nhiều năng lượng hơn, tốt nhất là dưới dạng sạch và có thể tái tạo. Chiến lược lưu trữ năng lượng của chúng ta hiện đang được định hình bởi pin lithium-ion – công nghệ tiên tiến nhất hiện nay – nhưng chúng ta có thể mong đợi điều gì trong những năm tới?

Hãy bắt đầu với một số kiến thức cơ bản về pin. Pin là một bộ gồm một hoặc nhiều tế bào, mỗi tế bào có một điện cực dương (cực dương), một điện cực âm (cực âm), một bộ phận ngăn cách và một chất điện giải. Việc sử dụng các hóa chất và vật liệu khác nhau cho các thành phần này sẽ ảnh hưởng đến các đặc tính của pin – lượng năng lượng mà pin có thể lưu trữ và phát ra, công suất mà pin có thể cung cấp, hoặc số lần pin có thể được xả và sạc lại (còn gọi là dung lượng chu kỳ).

Các công ty sản xuất pin đang không ngừng thử nghiệm để tìm ra những công thức hóa học rẻ hơn, đậm đặc hơn, nhẹ hơn và mạnh mẽ hơn. Chúng tôi đã nói chuyện với Patrick Bernard – Giám đốc Nghiên cứu của Saft, người đã giải thích ba công nghệ pin mới với tiềm năng chuyển đổi lớn.

PIN LITHIUM-ION THẾ HỆ MỚI

Đó là gì?

Trong pin lithium-ion (li-ion), lưu trữ và giải phóng năng lượng được cung cấp bởi sự di chuyển của các ion lithium từ cực dương đến cực âm và ngược lại thông qua chất điện giải. Trong công nghệ này, cực dương đóng vai trò là nguồn lithium ban đầu và cực âm là nơi chứa lithium. Nhiều công thức hóa học khác nhau đã được tập hợp dưới tên pin li-ion, là kết quả của nhiều thập kỷ chọn lọc và tối ưu hóa gần như hoàn hảo các vật liệu hoạt động của cực dương và cực âm. Oxit kim loại lithi hóa hoặc phosphate là những vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm vật liệu dương hiện tại. Graphite, cũng như graphite/silicon hoặc oxit titan lithi hóa, được sử dụng làm vật liệu âm.

Với các vật liệu và thiết kế tế bào hiện tại, công nghệ li-ion dự kiến sẽ đạt đến giới hạn năng lượng trong những năm tới. Tuy nhiên, những phát hiện rất gần đây về các họ vật liệu hoạt động mới đột phá có thể mở khóa những giới hạn hiện tại. Các hợp chất sáng tạo này có thể lưu trữ nhiều lithium hơn trong các điện cực dương và âm, và lần đầu tiên cho phép kết hợp năng lượng và công suất. Ngoài ra, với các hợp chất mới này, sự khan hiếm và tính quan trọng của nguyên liệu thô cũng được tính đến.

Những ưu điểm của nó là gì?

Hiện nay, trong tất cả các công nghệ lưu trữ tiên tiến, công nghệ pin li-ion cho phép mức độ mật độ năng lượng cao nhất. Các hiệu suất như sạc nhanh hoặc phạm vi nhiệt độ hoạt động (-50°C đến 125°C) có thể được điều chỉnh linh hoạt bởi sự đa dạng trong thiết kế tế bào và các công thức hóa học. Hơn nữa, pin li-ion có các ưu điểm bổ sung như tự xả rất thấp và tuổi thọ cùng hiệu suất chu kỳ rất dài, thường là hàng ngàn chu kỳ sạc/xả.

Khi nào chúng ta có thể mong đợi?

Thế hệ pin li-ion tiên tiến mới dự kiến sẽ được triển khai trước thế hệ đầu tiên của pin thể rắn. Chúng sẽ lý tưởng cho việc sử dụng trong các ứng dụng như Hệ thống Lưu trữ Năng lượng cho năng lượng tái tạo và vận tải (hàng hải, đường sắt, hàng không và phương tiện di chuyển ngoài đường) nơi mà năng lượng cao, công suất cao và an toàn là bắt buộc.

PIN LITHIUM-SULFUR

Đó là gì?

Trong pin li-ion, các ion lithium được lưu trữ trong các vật liệu hoạt động, đóng vai trò là cấu trúc chủ ổn định trong suốt quá trình sạc và xả. Trong pin lithium-sulfur (Li-S), không có cấu trúc chủ. Trong quá trình xả, cực âm lithium bị tiêu hao và lưu huỳnh được chuyển hóa thành nhiều hợp chất hóa học khác nhau; trong quá trình sạc, quá trình ngược lại diễn ra.

Những ưu điểm của nó là gì?

Pin Li-S sử dụng các vật liệu hoạt động rất nhẹ: lưu huỳnh ở cực dương và lithium kim loại ở cực âm. Đó là lý do tại sao mật độ năng lượng lý thuyết của nó cực kỳ cao: cao hơn bốn lần so với pin lithium-ion. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn phù hợp cho ngành hàng không và vũ trụ.

Saft đã chọn và ủng hộ công nghệ Li-S triển vọng nhất dựa trên chất điện giải thể rắn. Hướng kỹ thuật này mang lại mật độ năng lượng rất cao, tuổi thọ dài và khắc phục những nhược điểm chính của pin Li-S dựa trên chất lỏng (tuổi thọ hạn chế, tự xả cao,…).

Hơn nữa, công nghệ này bổ sung cho pin lithium-ion thể rắn nhờ mật độ năng lượng trọng lượng vượt trội (+30% trong Wh/kg).

Khi nào chúng ta có thể mong đợi?

Những rào cản công nghệ lớn đã được vượt qua và mức độ trưởng thành của công nghệ này đang tiến triển rất nhanh chóng hướng tới các nguyên mẫu quy mô lớn.

Đối với các ứng dụng yêu cầu tuổi thọ pin dài, công nghệ này dự kiến sẽ ra mắt ngay sau pin lithium-ion thể rắn.