Trần Đăng Hồng, PhD

Phần 2. Bình trữ điện lithium

 

Ngày nay, tất cả thiết bị di động đều xử dụng pin sạt điện. Xe hơi chạy điện cũng cần bình trữ-điện mạnh sạt điện từ điện của mạng lưới điện (grid). Trong bài này từ “bình trữ điện” bao gồm “pin” và “bình ắc-quy” đủ mọi kích thước.

Tuổi thọ của bình trữ điện, giá cả. điện tích, và số lần sạt điện tùy thuộc vào vật liệu cấu tạo. Tùy theo mỗi loại thiết bị mà chọn vật liệu làm bình trữ điện thích hợp. Một loại bình được đánh giá bởi:

-         Điện tích (điện dung). Khả năng cung cấp năng lượng điện,

-         Cách hoạt động cung cấp điện nhanh hay chậm, nhiều hay ít,

-         Số lần sạt điện trong đời pin,

-         Chất độc hại,

-         Giá cả.

 Bảng 1. So sánh các loại bình trữ sạt điện

	Alkaline	Nickel Cadmium	Nickel metal hydride	Lithium-ion	Lead acid
Điện tích	Thấp	Trung bình	Khá cao	Rất cao	Thấp
Hoạt động	Trung bình	Trung bình	Tốt	Rất tốt	Kém
Lần sạt điện	Ít	Nhiều	Trung bình	Trung bình	Trung bình
Chất độc	Rất độc	Ít độc	Rất độc	Ít độc	Trung bình
Giá cả	Rẻ	Trung bình	Trung bình	Đắc tiền	Rẻ
Xử dụng thiết bị	Đèn pin	Dụng cụ y tế, video camera, dụng cụ cơ khí	Phone di động, labtop	Máy ảnh số, labtop, phone di động	Ắc-quy xe hơi

 

Ngoài ra, còn có bình trữ sạt điện:

- Nickel-Kẽm (NiZn), hoạt động khá tốt, giá rẽ, ít độc, mới gia nhập vào thị trường từ 2009, chưa phổ thông.

- Bạc-kẽm (AgZn), hoạt động rất tốt, ít độc, rất đắc tiền, dễ bị oxit hóa, và dòng điện không cố định.

Tóm lại, lithium-ion càng ngày càng phổ thông và thống trị trên thị thường. Hiện tại (2015) bình trữ điện lithium-ion và chì-acid (lead acid) lần lượt chiếm 35% và 64% thị trường quốc tế, nhưng vào năm 2025 sẽ lần lượt là 70% và  20%.

 

Ion lithium xử dụng trong bình trữ điện

Nguyên liệu làm bình trữ điện rất hiếm. Chẳng hạn, lithium chỉ sản xuất giới hạn trong một số quốc gia như vài nước Châu Mỹ La Tinh, Canada, Hoa Kỳ, Nga, Tàu, Congo, trong lúc nhu cầu nguyên liệu này gia tăng gấp đôi mỗi 5 năm.

Giới hạn của bình trữ điện lithium và biện pháp cải thiện

Xử dụng điện thoại di động thông minh (smartphones)

Ngày nay, điện thoại di động thông minh càng ngày càng phổ thông khắp thế giới, giá cả trong tầm tay mọi người. Nó lại làm đủ thao tác vừa điện thoại, vừa computer di động, vừa máy ảnh, vừa máy quay phim, vừa TV, với mọi apps, v.v. Xe hơi chạy điện cũng đang phát triển mạnh. Tất cả các thiết bị này đều cần bình trữ điện lithium-ion.

Lý do là bình trữ điện lithium-ion nhỏ, nhẹ hơn nhiều so với bình trữ điện nickel-cadmium, nhưng chứa một dung điện như nhau, có tuổi thọ lâu hơn và ít độc.

Là kim loại nhẹ nhất trong bản tuần hoàn, lại dễ phóng thích điện tử electrons, nên lithium rất lý tưởng để làm bình trữ điện mạnh và di động.

Tuy nhiên việc phát triển bình trữ điện lithium có nhiều khó khăn. Thứ nhất là gây nỗ. Khí phát xuất từ chất điện giải tích tụ trong bình điện thường phực cháy  khi tiếp xúc với không khí và tạo nỗ. Trong vòng 30 năm sau khi bình trữ điện lithium ra đời đã xảy ra nhiều vụ nỗ gây thương tích.

Tuy nhiên, vì là một vật liệu lý tưởng để làm bình trữ điện, các nhà khoa học, kỹ sư thiết kế, các nhà đầu tư đã cố gắng giải quyết yếu điểm này.

Dr John Goodenough, coi như cha đẻ phát minh bình trữ điện lithium-ion, đã giải quyết khuyết điểm qua 3 kỷ thuật lần lượt sau đây.

Cuối thập niên 1970s, ông phát triển dương-điện-cực chứa lithium cobalt oxide, và được xử dụng tới nay.

Sau đó ông cùng TS Michael Thackeray cải thiện thêm dương-điện-cực chứa lithium cobalt oxide và được xử dụng cho xe hơi chạy điện và dụng cụ y khoa.

Trong thập niên 1990s, sau khi về hưu ông vẫn tiếp tục cải thiện để bình trữ điện rẽ hơn, mạnh hơn và điện thế bền vững bằng dương-điện-cực phosphate lithium sắt và được xử dụng cho tới ngày nay cho dụng cụ cơ xưởng nặng.

Bình điện được cải thiện an toàn hơn bình lithium trước đây vì điện cực không có chứa lithium tự do. Sở dỉ được an toàn, vì các kim loại kia bao bọc chặc ion lithium trong hợp chất oxit kim loại của dương-điện-cực. Ion lithium di chuyển trực tiếp xuyên qua chất điện giải và không có phản ứng với các nguyên chất kim loại khác.

 

Phòng nghiên cứu thữ nghiệm điện cực bình trữ điện

Mặc dầu có những bước tiến vỉ đại, bình trữ điện lithium-ion vẫn còn nhiều hạn chế. Nhiều điện thoại di động không thể xử dụng liên tục trong một ngày nếu không sạt điện. Nhiều xe hơi chạy điện chỉ chạy được 160 km lại phải sạt điện trong vài tiếng đồng hồ mới chạy tiếp được. Xe hơi Tesla Model S mới ra đời chỉ chạy xa 300 km mới cần sạt điện, nhưng với giá trên 71 ngàn đô Mỹ.

Các nhà khoa học bình trữ điện đã cải thiện gia tăng 5-10% hiệu năng hàng năm trong vòng 25 năm qua, nhưng vẫn cho là quá chậm chạp, và không thể cải tiến nhiều hơn được nữa, mặc dầu giá cả nay đã rẻ hơn, an toàn hơn, chạy xa hơn và người lái xe an tâm hơn.

Lý thuyết làm gia tăng tuổi thọ, sạt điện nhanh hơn và giá bình điện rẽ hơn là làm sao nhồi nhét vào các điện cực thật nhiều ions lithium, và làm chúng chạy tới chạy lui giữa hai điện cực càng nhanh càng tốt mà không vượt ngoài tầm kiểm soát.

Trong chiều hướng lý thuyết đó, TS Thackery phát triển kỷ thuật kiến trúc tinh thể phân tử giống như viên hồng ngọc để chuyên chở ions lithium an toàn vào dương-điện-cực khi bình trữ phát điện. Các ions chỉ chạy thành luồng qua hệ thống trong hồng ngọc nên rất bền vững. Nguyên tắc lý thuyết cũng cho biết, nếu ta kìm hãm ion quá trở nên kém tự do lưu chuyển thì bình điện lại ít mạnh bằng. Vì vậy, khi chuyển đổi bình nickel-cadmium thành bình lithium-ion thì bình trữ điện trở nên mạnh, đó là phương cách tốt nhất để làm nhỏ kích thước, giảm trọng lượng và giá thành.

Một tiến bộ vượt bực khác là cải thiện dương-điện-cực, hễ khi thanh dương cực thâu nhận ions lithium thì nó phát sinh điện. Các nhà khoa học cải thiện làm thanh dượng cực thật mỏng bằng kỷ thuật vật liệu nano như carbon, với mục đích gia tăng vận tốc dòng vận chuyển ion lithium bằng cách rút ngắn khoảng cách vận chuyển giữa các thanh. Các nhà khoa học nay đã cải thiện thanh dương-cực mỏng bằng một nguyên tử.

Một cải thiện đột phá thứ hai là âm-điện-cực. Thanh âm-điện-cực tồn trữ ion lithium khi sạt điện, và gởi ion đến dương-điện-cực khi bình phát điện. Ở đầu thập niên 1990s, hảng Sony của Nhật làm âm-điện-cực bằng carbon thay thế kim loại lithium, nhưng bình điện không hoạt động tốt. Ngày nay, các nhà khoa học trở lại nghiên cứu này sau khi Sony bỏ dở công trình nghiên cứu.

Một vấn đề lớn với âm-điện-cực bằng graphite và âm-điện-cực bằng lithium kim loại là khi ion lithium trở lại âm-điện-cực khi sạt điện thì ion không phân bố đều trên mặt điện cực mà chúng cấu thành từng khóm tinh thể nhỏ.

Carbon chỉ thâu nhận lithium ở một vận tốc nào đó. Nếu ta gởi lithium quá nhanh đến âm-điện-cực (khi sạt điện) thì ion không đến thẳng bên trong thanh graphite mà chỉ đóng ở mặt bên ngoài, gây tác hại. Hể bình trữ-điện càng nhỏ, các tinh thể nhỏ lithium bên ngoài thanh tích tụ càng nhiều, chạm đến điện cực kế bên, nên làm tuổi thọ bình điện giảm.

Xử dụng màng thẩm thấu ngăn cách giữa các điện cực, không cho điện cực kế bên tiếp xúc, nhưng cho phép chất điện giải đi qua. Nhưng các tinh thể bị vở trám kín các lỗ thông của màng thẩm thấu, ngăn chận chất điện giải lưu thông, nên tuổi thọ cũng bị giảm.

Âm-điện-cực có thể làm bằng silicon, giữ 10 lần ion lithium nhiều hơn âm-điện-cực bằng graphite nếu so sánh với cùng trọng lượng, vì vậy cho điện mạnh hơn. Tuy nhiên silicon vẫn có vấn đề của nó. Silicon trương nở 3 lần thể tích bình thường khi sạt điện hay khi âm-điện-cực chứa đầy ion lithium. Khi trương nở như vậy làm vở tan các mạch nối điện trong âm-điện-cực và làm bình điện không hoạt động. Nó cũng làm hỏng các bộ phận kế bên như các màng phân chia hay vỏ bình điện và làm bình cháy.

Phòng nghiên cứu vật liệu thuộc Đại Học Stanford ở California phát triển sợi silicon cực nhỏ nano đan dệt vào nhau như tấm thảm để làm âm-điện-cực nên không làm tan vỡ mạch nối điện khi trương nở. Nhưng phải cần 5 năm nữa mới thật hoàn thiện để thương mại hóa. Nhóm khoa học này còn nghiên cứu cải thiện âm-điện-cực bằng graphite, xử dụng graphene 2 chiều để hấp thụ ion lithium nhanh hơn khi sạt điện, và kỷ thuật này cũng phải còn nhiều thời gian hơn nữa để hoàn thiện.

Như vậy, theo một số nhà khoa học thì nguyên tắc lý tưởng cuối cùng vẫn là âm-điện-cực bằng lithium kim loại ròng.

So với âm-điện-cực graphite, âm-điện-cực lithium kim loại hấp thụ ion lithium 10 lần nhiều hơn khi sạt điện và không bị trương nở như âm-điện-cực silicon. Bình trữ điện lithium-ion như vậy có thể đạt việc hoàn chỉnh về điện tích 300 watt-giờ để dùng cho xe hơi chạy điện bằng đoạn đường tương đương với xe hơi chạy xăng với xăng đổ đầy bình. Tuy nhiên muốn được như vậy phải có những tiến bộ trong biện pháp an toàn như xử dụng chất điện giải thể đặc (solid electrolytes) hay màng phân cách hoàn hảo hơn để tránh các tinh thể đóng thành mảng.

Chất điện giải thể đặc có thể là đột phá to lớn nhất, nếu ta loại bỏ được chất điện giải thể lỏng, và loại bỏ được các chất gây cháy sinh ra trong bình.

Nhưng chất điện giải thể đặc cũng có vấn đề. Nó không dẫn điện hoàn hảo như ở thể lỏng, thời gian sạt điện gia tăng, và điện tích giảm. Và tuổi thọ cũng không cao.

Để cải thiện khuyết điểm này, TS Goodenough thiết kế chất điện giải một phần thể đặc bằng vật liệu đặc kế bên âm-điện-cực, và một phần thể lỏng kế bên dương-điện-cực. Bình thiện được cải thiện nhưng vấn đề các mảng tinh thể thành hình vẫn tồn tại.

Các nhà khoa học nghĩ rằng phát triển hứa hẹn nhất có lẻ là dùng chất điện giải bằng đất sen nung (ceramic), như Đại học Maryland cho biết bình trữ điện đặc với âm-điện-cực lithium và chất điện giải đất sét nung.

Chất điện giải bằng kính và đất sét nung dẫn điện nhanh hơn chất polymer nhựa dẻo (plastic polymer), và đủ tốt để không hy sinh nhiều về điện tích.

Các nghiên cứu xử dụng chất điện khác, như ở Viện Kỷ thuật MIT xử dụng phosphate lithium sắt ở dạng sềnh sệt như bơ đậu phộng (peanut butter). Kỷ thuật này giúp ion chạy nhanh qua chất điện giải thể đặc bằng cách bơm điện giải thể lỏng chạy trên chất điện giải sềnh sệt.

Khi kỷ thuật nano cải tiến được điện cực và chất điện giải, để tạo được bình trữ điện cực mạnh lại đưa đẩy các nhà khoa học chạy lòng vòng, nay trở lại nguyên tắc ban đầu: xử dụng lithium ròng chứ không lithium-ion nữa.

Bình điện lithium-sulfur (lưu huỳnh) và lithium-khí không được phân loại là bình trữ điện lithium-ion, bởi vì lithium phản ứng với chất điện giải cho ra chất khác chứ không phải chỉ dòng ion chạy xuyên qua chất điện giải.

Bình trữ điện lithium-sulfur có thể tích trữ năng lượng 10 lần hơn bình trữ điện lithium-ion nếu so với cùng trọng lượng của bình. Tuy nhiên, một khuyết điểm của loại bình này là phản ứng hóa học xảy ra làm tiêu hao dần sulfur và đồng thời sản sinh một chất khác làm loảng chất điện giải, và như vậy làm giảm tuổi thọ của bình.

Để giải quyết khuyết điểm này, các nhà khoa học phát triển kỷ thuật nano bằng cách bao bọc sulfur thành viên li ti. Với kỷ thuật tân tiến lithium-sulfur này, bình điện có thể sạt điện từ 500 đến 1000 lần mới hư. Như vậy là quá tốt cho labtop và phone di động, tuy nhiên điện tích vẫn còn thấp. Phải 5 năm nữa kỷ thuật cải tiến này may ra hoàn chỉnh để thương mại hóa.

Còn bình trữ điện lithium-khí được xem là tốt nhất về phương diện điện tích mạnh, trọng lượng nhe và giá thấp. Với âm-điện cực bằng lithium kim loại ròng và dương-điện-cực là khí oxygen, bình trữ điện lithium-khí có điện tích như bình trữ điện lithium-sulfur nhưng giá rẽ hơn và nhẹ hơn. Nghe thì có vẻ dễ, nhưng thật tế vô cùng khó khăn, Dương-điện-cực phải là khí oxygen ròng, không chứa ẩm độ hay dấu vết khí CO₂. Bình trữ điện vì vậy phải có hệ thống lọc thật tinh khiết, bộ phận bơm và tồn trữ oxygen, làm gia tăng trọng lượng 30-70%, và kích thước vì vậy gia tăng, cồng kềnh. Ngoài ra, dương-điện-cực oxygen làm oxit hóa chất điện giải hữu cơ và làm giảm tuổi thọ của bình. Và tệ hại nhất là các phản ứng tạo ra dilithium oxide không dẫn điện, nên không sạt điện hữu hiệu. Phải mất thêm 10 năm nữa mới có thể cải tiến để thương mại hóa.

Dầu muốn hay không, bình trữ điện lithium vẫn dẫn đầu trong thương mại ngày nay cho labtop, điện thoại thông minh, v.v. Cặc dầu chỉ giới hạn trong 300 km đường trường cho xe hơi chạy điện phải sạt điện lại trong nhiều giờ, nhưng bình trữ điện lithium vẫn rất hữu hiệu để tồn trữ điện tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió thường bị gián đoạn. Và cuối cùng, bình trữ điện lithium giúp con người bớt tùy thuộc vào nhiên liệu cỗ sinh.

Nhiều nghiên cứu khác đang tiến hành, tìm những vật liệu mới để bình trữ điện mạnh hơn, tuổi thọ cao và rẽ tiền để tồn trữ hiệu quả điện của mạng lưới điện, tồn trữ điện của năng lượng mặt trời, năng lượng gió ở những nơi mạng lưới điện chưa tới và cho xe hơi chạy điện đường xa hơn.

 Thiết kế xe hơi chạy điên

Reading, 11/2015