Ngày nay, pin lithium đã trở thành một thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày và được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, máy tính, thiết bị đeo được, phương tiện năng lượng mới và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, pin lithium cũng có những nhược điểm rõ ràng: chi phí cao và dự trữ nguyên liệu thô thấp để sản xuất pin lithium.

Theo quan điểm này, chính phủ và doanh nghiệp ở nhiều quốc gia đã tăng tốc để triển khai kỷ nguyên "hậu pin lithium". Ví dụ, một số tổ chức châu Âu cam kết phát triển pin magiê và kẽm, và CATL đã giới thiệu pin natri. Như trang web tạp chí "Nihon Keizai Shimbun" đã chỉ ra trong một báo cáo gần đây, cuộc cạnh tranh toàn cầu về các giải pháp thay thế cho pin lithium đã bắt đầu!

Chi phí cao của pin lithium

Pin Lithium ra đời từ những năm 1960 và được tập đoàn Sony tại Nhật Bản thương mại hóa vào những năm 1990. So với pin niken-hydro "tiền nhiệm" và pin axit-chì, pin lithium có thể lưu trữ nhiều năng lượng điện hơn. Bây giờ họ đã bay vào nhà của những người bình thường. Nó được sử dụng rộng rãi trong các phương tiện năng lượng mới, máy tính cá nhân, điện thoại thông minh và các sản phẩm khác; nó cũng có thể lưu trữ năng lượng mặt trời và gió, tạo ra một thế giới không có nhiên liệu hóa thạch.

Trước những đóng góp to lớn mà pin lithium đã mang lại cho nhân loại, năm 2019, ba "cha đẻ của pin lithium" đã giành giải Nobel Hóa học. Pin Lithium cũng đã trở thành "bậc thầy" trong ngành công nghiệp pin ngày nay.

Nhưng nhược điểm lớn nhất của pin lithium là giá thành cao. Nó chỉ tốt cho điện thoại thông minh. Nếu bạn cần lưu trữ năng lượng điện trên quy mô lớn, bạn cần một cục pin lớn tương ứng. Theo dữ liệu từ Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản, nếu bạn muốn chi phí lưu trữ của hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium đạt 23.000 yên (khoảng 1.280 nhân dân tệ) mỗi kilowatt, tương đương với chi phí lưu trữ được bơm nhà máy điện, nó chỉ đơn giản là một giấc mơ.

Ngoài ra, các khu vực sản xuất lithium, niken và coban, nguyên liệu thô cho pin lithium, được phân bổ cực kỳ không đồng đều và không thể sử dụng hết các mỏ lithium và coban toàn cầu để sản xuất. Trữ lượng lithium trong lớp vỏ là 0,0065% và trữ lượng toàn cầu chỉ là 86 triệu tấn; ngược lại, trữ lượng natri, magiê và kẽm cao hơn nhiều: trữ lượng natri trong lớp vỏ là 2,74%, chỉ bằng Qaidam của Trung Quốc. Trữ lượng muối natri trong lưu vực đạt 321,6 tỷ tấn; và hàm lượng magiê trong lớp vỏ cao tới 13,9%.

Triển vọng cho các yếu tố ứng cử viên là đầy hứa hẹn

Do đó, các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý sang magie, kẽm, natri và các nguyên tố khác.

Ví dụ: Đại học Cambridge ở Vương quốc Anh, các trường đại học khoa học và kỹ thuật nổi tiếng ở Đan Mạch và Israel, và các tổ chức nghiên cứu ở Đức và Tây Ban Nha đã cùng khởi xướng một dự án nghiên cứu có tên là "Cộng đồng pin tương tác Magiê EU" (E- Ảo thuật). Dự án hướng tới tương lai kéo dài 4 năm này đã nhận được hỗ trợ tài chính từ Liên minh Châu Âu. Mục tiêu là phát triển pin sạc magie thân thiện với môi trường với mật độ năng lượng hơn 1.000 Wh/L (tương đương gấp đôi so với pin lithium).

Các nhà nghiên cứu cho biết loại pin này sử dụng magie kim loại làm điện cực âm. Bởi vì một ion magiê mang hai điện tử, dung lượng của pin magiê tăng gấp đôi so với ion lithium chỉ có thể mang một điện tử. Nó có thể được sạc và xả nhiều lần hơn 500 lần.

Được biết, vào năm 2020, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Yao Yan từ Đại học Houston ở Hoa Kỳ và Trung tâm Nghiên cứu Toyota ở Bắc Mỹ đã phát triển thành công một loại pin magiê năng lượng cao rất hứa hẹn. Các ứng dụng tiềm năng của nó bao gồm xe điện và pin lưu trữ cho các hệ thống năng lượng tái tạo. Mặc dù pin mới chỉ được sạc và xả liên tục hơn 200 lần nhưng nhóm nghiên cứu tin rằng họ đã tìm ra hướng nghiên cứu để pin magie an toàn hơn và hiệu suất cao hơn: điện cực dương sử dụng hợp chất hữu cơ và điện cực âm sử dụng pyrenetetraketone (PTO ) để đạt được quá trình oxi hóa khử nhanh và có thể đảo ngược, chất điện phân phối hợp yếu dựa trên các cụm boron làm cho chuyển động của ion nhanh hơn. Thiết kế cực âm và chất điện phân tiên tiến này có ý nghĩa định hướng to lớn đối với sự phát triển của pin magie và sẽ đẩy nhanh tốc độ thương mại hóa công nghệ pin magie.

Ngoài ra, giáo sư Kamimura Seishino của Đại học Thủ đô Tokyo của Nhật Bản đã phát triển một loại pin sử dụng oxit mangan ở điện cực dương và kim loại magie ở điện cực âm. "Nihon Keizai Shimbun" báo cáo rằng mặc dù hiệu suất của pin magie vẫn còn ở mức thấp so với pin lithium, nhưng tiềm năng của nó rất đáng để khai thác. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết vấn đề biến tính chất điện phân và tăng cường nghiên cứu vật liệu điện cực.

Kẽm cũng đáng chú ý không kém magie. Loại pin kẽm-ion mới được phát triển bởi Phó giáo sư Kobayashi Hiroaki và Giáo sư Honma Kee của Đại học Tohoku, Nhật Bản, sử dụng dung dịch nước làm chất điện phân thay vì dung môi hữu cơ truyền thống và giảm nguy cơ cháy pin. Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương ở Hoa Kỳ và Đại học Munster ở Đức cũng đã hợp tác để phát triển "pin ion kép kim loại kẽm", bao gồm cực dương kẽm, cực âm than chì tự nhiên và ion kép. dung dịch muối.

Vào tháng 7 năm nay, CATL của Trung Quốc đã phát hành một loại pin natri có mật độ năng lượng cao nhất thế giới và đặc tính sạc cực nhanh (sạc 80% trong 15 phút). CATL dự kiến ​​​​sẽ tiếp tục tăng mật độ năng lượng của pin natri và dự kiến ​​​​Một chuỗi công nghiệp cơ bản sẽ được hình thành vào năm 2023.

Pin lithium có tiềm năng khai thác lớn

Mặc dù nghiên cứu về các công nghệ thay thế khác nhau đang diễn ra sôi nổi, nhưng xét theo tình hình phát triển hiện tại, cho dù đó là pin magiê, pin kẽm hay pin natri, vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết về mặt công nghệ và vật liệu. Ví dụ, các ion magiê có kích thước nhỏ, mật độ điện tích cao và phân cực mạnh. Rất khó để chèn vào hầu hết các chất nền và rất khó để tạo thành các hợp chất nhúng. Do đó, việc lựa chọn vật liệu catốt bị hạn chế.

Theo quan điểm này, cũng có những nhà khoa học cam kết khai thác sâu tiềm năng của pin lithium, cải thiện hiệu suất của pin lithium và phát triển pin lithium chất lượng tốt hơn.

Theo báo cáo từ Nihon Keizai Shimbun, Công ty Yuasa của Nhật Bản và Đại học Kansai đã phát triển một loại pin lithium-lưu huỳnh sử dụng lưu huỳnh làm vật liệu hoạt động điện cực dương. Khối lượng và mật độ năng lượng của nó có thể đạt khoảng gấp đôi so với pin lithium hiện có. Mật độ năng lượng khối của pin lithium thường được sử dụng trong xe điện thuần túy là khoảng 200-300 Wh/kg, trong khi mật độ năng lượng khối của pin lithium-lưu huỳnh được phát triển lần này vượt quá 370 Wh/kg.

Các nhà nghiên cứu giải thích rằng về mặt lý thuyết, dung lượng của pin lithium-lưu huỳnh có thể đạt gấp 8 lần so với pin lithium truyền thống có cùng kích thước, nhưng có những vấn đề như độ dẫn điện thấp và các sản phẩm trung gian dễ hòa tan trong chất điện phân. Loại pin lithium-lưu huỳnh mới được phát triển Pin lưu huỳnh sử dụng các hạt carbon siêu nhỏ để giải quyết hai vấn đề trên. Yuasa tuyên bố rằng họ hy vọng sẽ tăng mật độ năng lượng khối của pin lithium-lưu huỳnh lên 500 Wh/kg vào năm 2023.