Khám phá tương lai: Pin thế hệ mới thay đổi thế giới như thế nào?

Con người có thể nắm bắt được một cơ hội lớn khi chúng ta có khả năng khai thác được những nguồn năng lượng tái tạo, lưu trữ chúng trong những tấm pin và rồi sử dụng để cung cấp năng lượng cho cuộc sống.

Anh AKSSHAT RATHI, Phóng viên Bloomberg News: Nhiều khi, những viên pin trông giống hệt như những chiếc hộp đen. Nhưng bên trong nó, là cả một hỗn hợp phức tạp những chất hóa học. Trong viên pin có 4 phần cấu thành, 2 điện cực, cực âm và cực dương, lớp ngăn cách và chất điện phân lỏng. Nhiệm vụ của chất điện phân là vận chuyển những ion qua lại giữa 2 điện cực. Đó là cách người ta sạc  điện cho viên pin, cũng như phóng điện và tạo ra năng lượng. Trong những công nghệ thường ngày, pin có lẽ là một trong những công nghệ lâu đời nhất, bởi người ta thậm chí đã phát minh ra pin trước khi phát minh ra điện. Điều đó có nghĩa là, người ta không có cách nào để tạo ra điện, cho đến khi pin được tạo ra vào năm 1799 bởi nhà khoa học người Italia tên Volta. Cái mà ông ấy tạo ra chính là pin Volta . Tuy nhiên, vào thời đó, người ta không gọi đó là viên pin. Nó chính xác là một chồng của 2 kim loại khác nhau, là đồng và kẽm, được ngăn cách bởi những tấm bìa ngâm trong dấm. 

Để hiểu rõ về cách vận hành của pin, chúng tôi đã quyết định tự mình tạo ra một viên pin. 

Ông DAVID NICHOLSON, Nhà sản xuất Bloomberg Quicktake: Ở đây, tôi có một miếng đồng, và một số miếng kẽm. Tôi cắt chúng thành những miếng hình vuông nhỏ. Tôi còn có một tấm giấy lọc cafe, cũng được cắt ra thành miếng hình vuông. 

Để bắt đầu, chúng ta đặt một miếng giấy bạc ở dưới cùng, nhờ nó mà chúng ta có thể kiểm tra xem viên pin có hoạt động hay không. Sau đó, bạn đặt một miếng đồng lên trên, rồi nhúng giấy lọc cafe vào dung dịch nước muối. Bạn đặt miếng giấy lọc thấm nước lên, rồi đặt miếng kẽm lên trên. Bạn cũng cần một chiếc điện kế để đo được điện áp của pin. Vậy là chúng ta đang có 0,749 volt. Nghe hợp lý đấy. Giờ bạn có thể đấu 1 sợi dây đồng ở  cả 2 đầu của pin, sau đó hàn mối nối để kết nối nó với bóng đèn LED chẳng hạn. Khi đó, đèn sẽ sáng lên. 

Càng chồng nhiều lớp, bạn sẽ nhận được điện áp cao hơn. Chúng tôi đã xếp khoảng 10 lớp đồng và kẽm để xem liệu nó có thể làm sáng một bóng đèn LED hay không. Giờ chúng ta hãy thử với 1 bóng đèn LED. Bắt đầu nào. Đó chính là dòng điện. 

Các loại pin đã phát triển rất nhiều so với phiên bản pin Volta. , nhưng chúng vẫn dược cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản: cực âm, cực dương, lớp phân cách và chất điện phân lỏng. Loại pin lithium ion hiện đại nhất hiện nay có kích thước rất nhỏ, nhẹ nhưng rất mạnh mẽ, khiến cho mọi thiết bị từ điện thoại di dộng tới xe chạy điện trở nên khả thi. Tuy nhiên, để biến quá trình giảm thiểu carbon thành hiện thực, chúng ta cần những loại pin tốt hơn như thế.                        

Anh AKSSHAT RATHI, Phóng viên Bloomberg News: Chúng ta còn rất lâu nữa mới chạm tới giới hạn về khả năng của pin. Trong những yếu tố có thể cải thiện được của pin, chúng ta không chỉ nâng cao khả năng lưu trữ lượng năng lượng, mà còn phải đảm bảo an toàn. Pin cũng cần cải thiện tốc độ sạc. Cuối cùng, giá thành pin vẫn chưa thực sự rẻ. Có lẽ giá pin cần giảm 1 nửa thì mới có thể cạnh tranh được với những động cơ xăng dầu.  

Để đạt được tất cả những điều trên, một số các công ty bắt tìm hiểu kỹ hơn về cấu tạo bên trong pin, tìm cách thay đổi 4 thành phần cấu tạo với hy vọng tạo sự khởi đầu cho thế hệ pin mới. 

Ông HARROLD RUST, Nhà sáng lập & CEO công ty Enovix: Pin có lịch sử phát triển khá chậm, chỉ khoảng 4-5% mỗi năm. Chúng tôi là một trong số ít những công ty đang cố gắng thử nghiệm điều gì đó mang tính cách mạng ở lĩnh vực này. 

Công ty Enovix của Harrold Rust có trụ sở tại phía nam San Francisco (Mỹ) đang thử nghiệm một thay đổi nhỏ đối với pin lithium ion. Theo đó, họ sẽ thay cực dương, vốn thường được làm từ carbon, bằng chất liệu silicon. 

Ông HARROLD RUST, Nhà sáng lập & CEO công ty Enovix: Một lợi thế lớn của silicon, đó là nó có mật độ năng lượng cao hơn vấp 3 lần so với carbon. Do đó, pin có thể trữ nhiều năng lượng hơn, cải thiện mật độ năng lượng. Silicon, dù có khả năng cấu thành 1 cực dương tốt, lại gặp phải một số vấn đề. Vấn đề lớn nhất là, chúng giãn nở tới 300%. 

Ông GREG REICHOW, Thành viên hội đồng quản trị công ty Enovix: Nói một cách dễ hiểu hơn, khi bạn sạc điện, đầu silicon có xu hướng giãn nở, và khi pin phóng điện, chúng sẽ bị nén hoặc co lại. 

Nhà sáng lập & CEO công ty Enovix: Đó có thể là nguyên nhân gây cháy pin. Nhưng Enovix khẳng định đã tìm ra giải pháp. Đó là phương pháp khá phức tạp, theo đó, những thành phần của pin sẽ được sắp xếp để nén phần silicon ở dưới áp lực.

Ông HARROLD RUST, Nhà sáng lập & CEO công ty Enovix: Thiết kế dạng 3D này cho hpép chúng tôi kìm hãm việc giãn nở của silicon một cách đồng bộ bên trong viên pin, cho phép pin có tuổi thọ lâu hơn. Về cơ bản, nó cho phép chúng tôi kiểm soát được việc pin bị phồng lên mà không tạo ra thay đổi đáng kể nào tới pin. 

Viên pin với cực dương làm từ silicon có khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn 50% so với các loại pin sẵn có trên thị trường. Điều đó có nghĩa rằng, trong tương lai có thể xuất hiện những thiết bị điện tử nhẹ hơn nhưng có tuổi thọ pin lâu hơn. 

Ông HARROLD RUST, Nhà sáng lập & CEO công ty Enovix: Trong 2 năm qua, chúng tôi đã gửi những mẫu pin thử nghiệm tới cho các khách hàng. Giờ chúng ta đang ở căn phòng, nơi chúng tôi bắt đầu lắp ráp dây chuyền sản xuất đầu tiên. Và giờ thì cfhúng tôi đang hướng đến những lô hàng đầu tiên vào thời điểm cuối năm nay. Ban đầu, chúng tôi tập trung vào những thiết bị điện tiêu dùng. Với công nghệ này, chúng có thể hoàn toàn ứng dụng được từ những thiết bị nhỏ, cho tới những ứng dụng ở quy mô lớn như lưới điện cho công nghệ xe điện nối lưới. Đó là lộ trình của chúng tôi. 

Ở một địa điểm khá tại thung lũng Silicon, một công ty khác lại đang phát triển một thiết kế pin thậm chí còn tham vọng hơn. 

Ông JAGDEEP SINGH, Nhà sáng lập & CEO công ty QuantumScape: Chúng tôi bắt đầu với sứ mệnh làm nhỏ lại khoảng cách tồn tại giữa những phương tiện chạy bằng động cơ đốt cháy và các xe chạy điện. Chúng tôi nhận ra rằng, mấu chốt ở đây là chúng ta phải tạo ra một loại pin tốt hơn. CHúng ta có thể tiến vào kỷ nguyên mới của vận tải. Với thời gian sạc điện chỉ 15 phút, tuổi thọ pin cao hơn và giá thành rẻ hơn. Hóa ra, tất cả những vấn đề này đều có thể giải quyết nếu như bạn thay đổi cực dương carbon, hoặc carbon silicon thành cực dương kim loại lithium. 

Thông thường, lithium trong pin lithium ion là để chỉ loại phân tử chuyển động giữa cực âm và cực dương. Việc tạo ra một cực dương bằng lithium có thể làm tăng gấp đôi mật độ năng lượng của pin. Đây thậm chí còn là một bước nhảy vọt lớn hơn so với pin có cực dương bằng silicon của công ty Enovix. 

Anh AKSSHAT RATHI, Phóng viên Bloomberg News: Thông thường, bên trong một viên pin, chất điện phân thường ở dạng lỏng. Nhưng chất điện phân dạng lỏng trong pin kim loại lithium sẽ khiến cho kim loai lithium bị phân hủy, đôi lúc còn bốc cháy. Mục tiêu chính của QuantumScape là cố gắng thay thế chất điện phân dạng lỏng trong pin với chất điện phân dạng rắn. 

Ông JAGDEEP SINGH, Nhà sáng lập & CEO công ty QuantumScape: Vấn đề là, hiện nay chưa có bất cứ ai tạo rao được chất điện phân dạng rắn, với khả năng tương tự như chất điện phân dạng lỏng. Thậm chí chúng ta còn không rõ, liệu trong tự nhiên có tồn tại chất liệu đáp ứng được nhu cầu đó hay không. Chúng tôi đã khám phá nhiều chất liệu khác nhau. Thật may mắn, thứ chúng tôi tìm kiếm lại có sẵn trong tự nhiên. Nó thực chất là một vật liệu rắn, chính là chất liệu sứ. Nhưng nó cũng là một chất liệu khá đặc biệt, bởi những ion lithium có thể đi xuyên qua đó dễ dàng như xe chạy trên đường cao tốc. 

Tấm vật liệu này là tất cả những gì công ty QuantumScape cho chúng ta thấy. Đây chính là pin với chất điện phân dạng rắn. Cuối cùng, người ta sẽ xếp khoảng 100 tấm như vậy lên nhau để tạo ra một tấm pin hoàn chỉnh. Sẽ cần khoảng vài năm nữa thì công ty mới có thể đưa sản phẩm này ra thị trường. Nhưng những cải tiến hiệu suất theo dự đoán của họ sẽ mở ra một cuộc cách mạng. 

Tiến sỹ Tim Holme, Nhà sáng lập & CTO công ty QuantumScape: Chúng tôi đã cho thấy pin dạng này có thể sạc nhanh hơn, có thể sạc đầy 80% pin chỉ trong vòng 15 phút. Rất tiện lợi khi bạn đi du lịch, hoặc khi bạn không sở hữu một ga-ra riêng để sạc điện cho ô tô qua đêm. Chúng ta có thể cải thiện mật độ năng lượng của pin. Chúng tôi đặt mục tiêu sử dụng loại pin này cho xe ô tô vào năm 2024. Do vậy, trong những năm tới, chúng tôi sẽ tập trung vào việc mở rộng quy mô sản xuất. Năm 2012, chúng tôi đã ký kết hơp tác ới Volkswagen. Họ cũng thông báo hợp tác với chúng tôi và cùng đầu tư để thương mại hóa và đưa vào sản xuất loại pin này.

Ông JAGDEEP SINGH, Nhà sáng lập & CEO công ty QuantumScape: Chúng tôi tin rằng, với loại pin này, xe điện có thể cạnh tranh được với những phương tiện vận hành bởi động cơ đốt. Loại pin này tạo ra mật độ năng lượng cao hơn, với chi phí thấp hơn và tuổi thọ cao hơn. Nhiệm vụ của chúng tôi bây giờ là đưa loại pin này ra áp dụng trong thực tế, cố gắng thực sự chuyển đổi lĩnh vực ô tô, trong quá trình giảm phát thải khí CO2. 

Những công ty như QuantumScape hay Enovix đang hướng đến một tương lai, nơi những phương tiện chạy điện sạch với giá cả phải chăng sẽ thống trị những con đường. Nhưng ứng dụng của thế hệ pin mới còn nhiều hơn thế. Các loại pin tốt hơn chính là chìa khóa cho hầu hết những công nghệ làm chậm lại quá trình biến đổi khí hậu. 

Anh AKSSHAT RATHI, Phóng viên Bloomberg News: Pin được biết đến như một công nghệ cho phép, có nghĩa là chúng ta có thể sử dụng pin để tạo ra ảnh hưởng tới những lĩnh vực khác nhau trong nền kinh tế, và tới những loại hình công nghệ khác nhau. Hiện nay, pin có thể được sử dụng cho xe con, nhưng chúng ta vẫn cần pin cho xe tải, rồi cần pin cho tàu thuyền hay thậm chí cần 1 loại pin có thể sử dụng được cho cả máy bay. Các loại pin với kích thước ngày càng lớn xuất hiện ngày một nhiều, sẽ giúp chúng ta tăng lượng năng lượng tái tạo. Tất cả những điều nêu trên sẽ được phát triển chỉ nhờ những thay đổi nhỏ trong tấm pin. Do đó, tác động của những tấm pin đến thế giới là rất lớn./.

Thực hiện : Trương Thu Ngoan Bùi Thảo