MỸ – Siêu máy tính Expanse tại trung tâm San Diego supercomputer center, thuộc khoa khoa học máy tính, thông tin và dữ liệu đại học California, San Diego (UC San Diego – University of California school), đang đóng vai trò then chốt trong việc giúp các nhà nghiên cứu thiết kế thế hệ pin tiếp theo. Mục tiêu hướng đến các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn với chi phí thấp hơn và bền vững hơn.

Hiện nay, lưới điện và xe điện phụ thuộc rất lớn vào pin lithium-ion. Tuy nhiên, lithium là nguồn tài nguyên giá thành cao và phân bố không đồng đều trên thế giới. Ngược lại, Natri, nguyên tố có trong muối ăn, lại dồi dào và có giá thành thấp. Điều này làm cho pin gốc natri trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các trạm lưu trữ năng lượng lớn nhằm hỗ trợ cho lĩnh vực điện mặt trời và điện gió. Thách thức lớn nhất hiện nay là làm sao để pin natri vừa cung cấp đủ năng lượng, vừa duy trì được độ bền sau nhiều chu kỳ sạc xả.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học từ đại học UC San Diego cùng các đồng nghiệp quốc tế đã tập trung tìm hiểu sâu về cực dương (cathode) của pin. Họ bắt đầu từ một vật liệu gốc natri sẵn có, sau đó thử nghiệm thêm vào một lượng nhỏ lithium và titan.

Giáo sư Shirley Meng từ trường kỹ thuật phân tử Pritzker (thuộc đại học Chicago, University of Chicago Pritzker school) chia sẻ: “Những thay đổi nhỏ này đã mang lại hiệu quả lớn: vật liệu cải tiến có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn và duy trì sự ổn định ngay cả khi vận hành ở điện áp cao, một yêu cầu quan trọng để tối ưu hóa dung lượng trong mỗi lần sạc. Trong các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, cực dương cải tiến giữ được nhiều điện tích hơn và bảo toàn được phần lớn dung lượng sau nhiều chu kỳ, ngay cả trong điều kiện điện áp cao phức tạp thường làm vật liệu natri nhanh bị phân hủy.”

Để hiểu tại sao những điều chỉnh nhỏ lại tạo ra khác biệt lớn đến vậy, ông Shyue Ping Ong, một cộng tác viên của dự án, đã nhờ đến sự trợ giúp của siêu máy tính Expanse. Thông qua các nguồn lực từ quỹ khoa học quốc gia Mỹ (NSF – U.S. national science foundation), nhóm của Ong đã thực hiện các mô phỏng quy mô lớn về cách các ion natri di chuyển qua cấu trúc tinh thể của vật liệu. Họ sử dụng các mô hình trí tuệ nhân tạo (AI) tiên tiến được gọi là “foundation potentials” để theo dõi phản ứng của cấu trúc này trong quá trình sạc và xả.

Mô hình AI foundation potentials là một đổi mới công nghệ do nhóm của ông Ong tiên phong, cho phép mô phỏng ở cấp độ nguyên tử với chi phí thấp hơn so với các phương pháp tính toán chi phí cao như trước đây. Các mô phỏng này đã giải thích rõ lý do tại sao việc bổ sung lithium và titan lại giúp các ion natri di chuyển tự do hơn, đồng thời ngăn chặn khung tinh thể bị sụp đổ trong quá trình hoạt động.

Ông Ong chia sẻ: “Bằng cách thu hẹp các thiết kế tiềm năng trên siêu máy tính Expanse trước khi tiến hành thí nghiệm thực tế, nhóm nghiên cứu đã có thể đẩy nhanh tiến độ hơn nhiều so với việc chỉ dựa vào phương pháp thử và sai (trial and error) (*) truyền thống. Kết quả của nhóm đã mở ra một hướng đi thực tiễn để cải thiện pin natri-ion, giúp việc xây dựng các ‘trang trại pin’ lưu trữ năng lượng tái tạo trở nên khả thi hơn, đảm bảo cung cấp điện ngay cả khi không có nắng hoặc gió.”
(*) Trial and error: là một phương pháp giải quyết vấn đề cơ bản bằng cách thử nghiệm nhiều phương án khác nhau cho đến khi tìm thấy phương án thành công hoặc đạt được kết quả như mong muốn.

Nghiên cứu này cũng làm nổi bật một sự chuyển dịch lớn trong lĩnh vực năng lượng: các siêu máy tính như Expanse, khi kết hợp với các mô hình AI, đang trở thành công cụ không thể thiếu để khám phá và điều chỉnh vật liệu mới. Chúng biến những lý thuyết vật lý lượng tử phức tạp ở cấp độ nguyên tử thành những quy tắc thiết kế thực tế, giúp tăng tốc quá trình chuyển đổi sang một lưới điện sạch hơn và có khả năng phục hồi tốt hơn.

Để xem các tin bài khác về “Siêu máy tính”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online