TÂY BAN NHA – Các nhà nghiên cứu từ đại học EHU (EHU-university of the Basque country) đã giới thiệu một sản phẩm mang tính đột phá: pin làm từ vật liệu sinh khối (biomass material) (*) không chỉ lưu trữ đủ năng lượng mà còn có khả năng sạc và xả gần 1.000 chu kỳ. Khám phá này đang mở ra tương lai mới cho những giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn so với các dòng pin truyền thống hiện nay.
(*) Biomass material: Là các loại vật liệu có nguồn gốc từ sinh vật sống hoặc các sinh vật vừa mới bị phân hủy. Đây là những vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật, động vật hoặc các sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp và rác thải đô thị.

Trong vài thập kỷ qua, pin natri-ion (còn gọi là pin sodium-ion) (*) đã thu hút sự quan tâm lớn nhờ trữ lượng natri dồi dào, chi phí thấp và mạng lưới cung cấp rộng khắp từ vỏ trái đất. Đây được xem là phương án kinh tế hơn hẳn so với pin lithium-ion, loại pin dù đang thống trị thị trường nhưng lại gây tác động tiêu cực đến môi trường và phụ thuộc quá nhiều vào các mỏ khoáng sản khan hiếm. Tuy nhiên, pin natri-ion vẫn có những hạn chế về kỹ thuật như mật độ năng lượng thấp và tuổi thọ chu kỳ sạc xả chưa cao.
(*) Sodium-ion: Là một loại pin sạc sử dụng các ion natri (na+) làm tác nhân mang điện chính để lưu trữ và giải phóng năng lượng. Về mặt nguyên lý hoạt động, nó giống với pin lithium-ion (loại pin đang dùng trong điện thoại, laptop), nhưng thay thế nguyên tố lithium hiếm và đắt tiền bằng natri, thành phần chính có trong muối ăn.

Tiến sĩ Nekane Nieto, thuộc nhóm vật liệu và trạng thái rắn của đại hoc EHU, chia sẻ: “Hầu hết pin trong xe điện và thiết bị điện tử hiện nay là pin lithium-ion. Tuy nhiên, lithium cùng các vật liệu đi kèm như cobalt, niken và mangan đều nằm trong danh sách các nguyên liệu thô quan trọng của liên minh châu Âu. Ngành công nghiệp cần nỗ lực giảm sự phụ thuộc vào chúng.” Nhóm nghiên cứu tiến sĩ đã tập trung phát triển dòng pin natri-ion tận dụng tối đa các vật liệu từ sinh khối.

Về mặt cấu tạo, một viên pin cơ bản gồm có cực dương (cathode), cực âm (anode) và chất điện phân, môi trường cho phép các hạt mang điện di chuyển giữa hai cực để tạo ra dòng điện. Nhóm nghiên cứu tại đại học EHU đã thử nghiệm cực âm từ carbon, thu được thông qua việc xử lý rác thải sinh khối tại địa phương. Nói cách khác, họ đang tái chế chất thải thành vật liệu lưu trữ năng lượng giá trị cao. Tiến sĩ Nieto nói rằng: “Ý tưởng cốt lõi của nhóm nghiên cứu là tạo ra những viên pin bền vững nhất”.

Pin nút áo từ vỏ hạt hướng dương
Trong dự án này, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều loại sinh khối khác nhau, bao gồm bã cà phê, thân cây, các loài bụi rậm xâm lấn, hạt và vỏ nho, lõi ngô, và thậm chí cả phân bón từ rác thải hữu cơ. Tiến sĩ Nieto cho biết: “Trong số tất cả các mẫu thử, vật liệu carbon từ vỏ hạt hướng dương mang lại kết quả khả quan nhất.” Sau khi tối ưu hóa cực âm từ vỏ hạt hướng dương, nhóm nghiên cứu đã kết hợp nó với nhiều loại cực dương khác nhau trong các viên pin sạc dạng nút áo. Các cực dương này chứa vanadi, sắt hoặc titan, những nguyên tố ít khan hiếm hơn và chỉ được sử dụng với hàm lượng nhỏ trong vật liệu.

Dựa trên những dữ liệu đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích vòng đời (life-cycle analysis) (*) để xác định sự kết hợp giữa cực âm và cực dương nào đem lại hiệu suất pin tốt nhất với tác động môi trường thấp nhất. Bà Nieto nói rằng: “Nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả rất cạnh tranh so với các thông báo trước đây. Đây là những viên pin sạc làm từ vỏ hạt hướng dương có khả năng lưu trữ năng lượng ổn định và sạc xả gần 1.000 chu kỳ, đồng thời cấu tạo hóa học của cực dương cũng được lựa chọn để đạt mức độ thân thiện nhất với môi trường cho từng ứng dụng cụ thể”.
(*) Life-cycle analysis: Là một phương pháp khoa học dùng để đo lường toàn bộ tác động của một sản phẩm đối với môi trường trong suốt vòng đời của nó. Thay vì chỉ nhìn vào việc sản phẩm đó có xả thải khi đang sử dụng hay không, phân tích vòng đời sản phẩm xem xét mọi giai đoạn từ lúc khai thác nguyên liệu thô cho đến khi nó trở thành phế thải.

Mô hình cây làm từ đèn LED, được thắp sáng bởi pin chế tạo từ vỏ hạt hướng dương

Tiến sĩ Nieto nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sản xuất pin từ vật liệu sinh khối và các thành phần không nằm trong danh sách nguyên liệu thô quý hiếm. Bà thừa nhận: “Dù hiện tại pin của nhóm nghiên cứu chưa thể cạnh tranh trực tiếp với pin lithium-ion về hiệu suất, nhưng chúng hoàn toàn có thể sử dụng như một hệ thống bổ trợ hoặc dùng cho các thiết bị điện tử nhỏ”. Nhóm vẫn tiếp tục nỗ lực phát triển các dòng pin có kích thước lớn hơn.

Bà Nieto nói thêm: “Không nên chỉ tập trung vào những loại pin đã có sẵn trên thị trường. Việc khám phá các phương thức tiếp cận đa dạng và cải thiện tính bền vững bằng cách tận dụng các loại chất thải đang bị bỏ phí là hoàn toàn khả thi. Điều quan trọng là chúng ta cần tìm kiếm các giải pháp thay thế cho pin lithium-ion. Trong tương lai, ngành công nghiệp có thể sử dụng nhiều loại phế thải khác nhau để sản xuất pin, tùy thuộc vào mục đích sử dụng cụ thể của chúng.”

Để xem các tin bài khác về “Pin sạc”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online