Hành trình đi tìm công nghệ pin mới: cần lắm một sự đột phá

Sự tiến bộ kinh ngạc về công nghệ từ khi phát minh ra chip máy tính vào giữa thế kỷ 20 đến nay có thể tóm tắt đơn giản trong câu chuyện về định luật Moore. Theo đó, cứ mỗi vài năm, số bóng bán dẫn nằm trên một con chip lại tăng gấp đôi. Kết hợp với những cải tiến công nghệ khác, điều đó có nghĩa là sức mạnh tính toán của bộ xử lý tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng.

Định luật Moore đã đứng vững một cách ấn tượng trong hơn 40 năm qua, kể từ lần đầu được phát biểu. Định luật này giải thích những tiến bộ tuyệt vời của thiết bị điện tử chỉ trong một thế hệ, đó cũng là nguyên nhân khiến chiếc smartphone trở nên mạnh hơn hàng ngàn lần những chiếc máy tính tốt nhất ở vài thập kỷ trước.

Nhưng đối với pin trên các thiết bị này, chẳng có định luật nào tương đương với định luật Moore. Công nghệ pin Lithium-Ion xuất hiện trên các smartphone và laptop đã hầu như không thay đổi đáng kể gì kể từ lần đầu được thương mại hóa bởi Sony vào năm 1991. Năng lượng cho ô tô thậm chí còn cổ hơn thế, những thiết kế cơ bản của động cơ đốt trong và pin ắc quy chì trên hầu hết các phương tiện hầu như giữ nguyên trong vài thập kỷ nay.

Hầu như không có động lực nào để thay đổi những thiết kế này – chúng đã hoạt động một cách hoàn hảo trong suốt một thời gian dài, và vấn đề về pin hiếm khi được đặt lên hàng đầu để giải quyết. Điện thoại di động vào đầu những năm 2000 có thể hoạt động trong nhiều ngày mà không cần sạc.

Cho dù vậy, trong suốt thập kỷ qua, kỷ nguyên smartphone đã làm cho công nghệ pin trở nên tụt hậu. Chiếc iPhone mới nhất đã mạnh gấp 16 lần phiên bản đầu tiên được Steve Jobs giới thiệu cách đây chín năm, nhưng pin vẫn chỉ trụ được trong một ngày. Nếu tính theo mili Ampe/giờ - một đơn vị để đo dung lượng pin – giữa pin của iPhone năm 2007 và phiên bản 6S mới nhất, dung lượng chỉ tăng lên 22%.

Thách thức của Pin Lithium-Ion

Nguyên lý của pin Lithium-Ion khá đơn giản. Khi sạc cho pin, dòng electron đi qua một mạch điện đến cực âm, hút các ion dương của Lithium trong dung dịch chất điện phân. Khi pin được sử dụng, các ion này di chuyển đến điện cực âm qua chất màng ngăn, quá trình này làm giải phóng các electron và cấp năng lượng cho thiết bị.

Quá trình sạc - xả của pin Lithium-Ion.

Nguyên lý này đơn thuần là hóa học cơ bản, dẫn đến rất khó để có thể nâng cấp. Có rất nhiều nguyên tố trong bảng tuần hoàn, và Lithium trở thành sự lựa chọn tốt nhất. Những cải tiến về pin thường đi theo hướng tối ưu thành phần hóa học của chất điện phân hay điện cực, nhưng xu hướng này dần trở nên khó khăn hơn theo thời gian. Mặc dù các công ty công nghệ giàu nhất cũng đang tập trung vào pin, dung lượng cũng chỉ tăng khoảng 5% một năm. Trên thực tế, nhiều nhà sản xuất nhận ra rằng cách đơn giản nhất để cải thiện pin là làm pin kích thước lớn hơn, vì vậy sẽ chứa được nhiều ion hơn.

Với phần lớn người quan tâm, điều đơn giản đó là không đủ. Chiếc smartphone đã trở thành một phần quan trọng cho cuộc sống của chúng ta. Đó là công cụ để thanh toán, để giao tiếp và định hướng trên đường. Thật kinh khủng nếu chiếc smartphone đó bị hỏng hoặc không hoạt động. Nhưng không gì có thể so sánh với một chiếc ô tô điện, hoặc các thiết bị cứu hộ y tế, khi cạn kiệt pin. Trong khi đó năng lượng mặt trời, từng được kỳ vọng sẽ trở thành nguồn năng lượng quan trọng cho chúng ta trong tương lai, lại cần có thiết bị dự trữ dung lượng cao khi mặt trời tắt nắng.

Các giải pháp khác.

Khi sự phụ thuộc vào pin ngày càng tăng, những khoản đầu tư lớn về thời gian và tiền bạc đã được dành ra để tìm kiếm người kế nhiệm cho pin Lithium – ion.

Năm ngoái, các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge tuyên bố đã đạt được bước tiến lớn trong việc phát triển pin “Lithium - khí”, loại pin mà họ cho rằng có dung lượng gấp 10 lần công nghệ pin Lithium – Ion hiện tại. Bằng cách sử dụng một phần electron của oxy trong không khí, thay vì dự trữ trong pin, công nghệ này hứa hẹn sẽ cải thiện đáng kể về dung lượng – đủ cho một chiếc ô tô điện chạy từ London đến Edinburgh trong một lần sạc.

Nguyên lý của pin Lithium khí sử dụng Lithi peroxide.

Ý tưởng về pin “Lithium khí” này đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ nay, nhưng hợp chất "Lithi peroxide" truyền thống sử dụng trong công nghệ này, đã được chứng minh là không ổn định, và không có khả năng sạc lại nhiều lần. Thay vào đó, công nghệ pin "Lithium khí" mới sử dụng Lithi Hydroxide, giúp hạn chế các phản ứng làm kiệt pin, và cho phép sạc lại pin hơn 2000 lần.

Một giải pháp khác cho công nghệ này đến từ các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne tại Illinois, khi tuần trước họ tuyên bố đã đạt được một bước đột phá về pin sử dụng Lithium-Superoxide. Giải pháp này được kỳ vọng sẽ giải quyết hàng loạt vấn đề quan trọng của công nghệ pin “Lithium khí”. Tuy nhiên, việc thương mại hóa công nghệ này sẽ phải mất nhiều năm nữa, thậm chí cả thập kỷ để trở thành hiện thực.

Một hướng giải quyết khác thay vì làm pin tốt hơn, họ sẽ cải thiện cách sạc điện cho pin. Intelligent Energy, một công ty tại Loughborough, Anh cho biết họ đang đi tiên phong trong việc ứng dụng pin nhiên liệu hydro vào ngành điện tử tiêu dùng.

Nguyên lý của pin nhiên liệu Hydro.

Giám đốc điều hành của công ty, ông Henri Winand cho biết những nguyên mẫu đầu tiên của công nghệ này có thể cấp năng lượng cho smartphone trong vòng một tuần, cho phép các máy bay không người lái hoạt động trong nhiều giờ thay vì chỉ 30 phút. Thay vì phải sạc lại, pin nhiên liệu sẽ được hoán đổi bằng viên pin mới khi hết, còn viên pin hết năng lượng sẽ được đem nạp lại nhiên liệu để tái sử dụng. Công ty cũng đang hợp tác với Suzuki để lắp đặt các viên pin nhiên liệu cho xe tay ga, và ký hợp đồng với một nhà sản xuất smartphone mới nổi “giấu tên” để sử dụng công nghệ này.

“Lúc đó cuộc sống của chúng ta sẽ không phải diễn ra quanh ổ cắm điện nữa” ông Winand nói. Ông cũng cho biết dự kiến những smartphone sử dụng pin nhiên liệu sẽ xuất hiện trong khoảng 18 tháng nữa.

Nhưng với nhiều người tiêu dùng và công ty phụ thuộc vào năng lượng của pin, điều đó vẫn chưa đủ nhanh, hoặc sẽ mất ít nhất nhiều năm dài để công nghệ đó trở nên phổ biến. Trong khi đó, các công ty công nghệ đang đặt cược vào pin Lithium-Ion là sự lựa chọn cho tương lai gần.

Tesla, công ty sản xuất ô tô điện được điều hành bởi nhà tỷ phú Elon Musk, kỳ vọng sẽ trở thành một trong những nhà tiêu thụ pin lớn nhất thế giới. Công ty đã chi ra khoảng 5,3 tỷ USD vào một siêu nhà máy sản xuất pin Lithium-Ion trên sa mạc Nevada. Các công ty điện tử tiêu dùng khác, thay vì trông chờ vào các bước đột phá về công nghệ, đã làm việc với các giải pháp khác như sạc không dây hay sạc nhanh, có thể giúp pin từ lúc hết kiệt đến 60% dung lượng chỉ trong vòng nửa giờ.

Hầu hết các ứng cử viên cho người kế nhiệm pin Lithium-Ion sẽ đòi hỏi nhiều năm nữa để thử nghiệm và được cấp phép để sử dụng trên ô tô hay điện thoại. Tuy nhiên, dù ai thắng trong cuộc đua này, đó cũng sẽ là bước đột phá của thế kỷ.

Theo Business Insider