“Chi phí là rào cản chính của quá trình điện hóa và lưu trữ năng lượng”

Ngày 19/12, trong khuôn khổ Tuần lễ Khoa học-Công nghệ VinFuture 2022, tại Trung tâm Hội nghị quốc tế Almaz, Hà Nội đã diễn ra chuỗi Tọa đàm “Khoa học vì cuộc sống” với 3 phiên về các chủ đề: “Nông nghiệp bền vững trong bình thường mới”, “Vật liệu mới cho tương lai lưu trữ năng lượng”, và “Liệu pháp cá thể hóa trong điều trị ung thư”.

Phiên tọa đàm “Vật liệu mới cho tương lai lưu trữ năng lượng” có sự tham gia của GS Sir Richard Henry Friend - Chủ tịch Hội đồng Giải thưởng VinFuture; GS Linda Faye Nazar - giảng viên của Khoa Hóa học và Khoa Kỹ thuật Hóa học của Đại học Waterloo (Canada); GS Khalil Amine - nhà khoa học vật liệu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Mỹ, chuyên gia công nghệ pin xe điện thế hệ mới hàng đầu thế giới; GS Daniel Kammen - Đại học California, Berkeley (Hoa Kỳ), Thành viên Hội đồng Giải thưởng VinFuture; ông Brian Dillard - Giám đốc Chiến lược Công nghệ và Tăng trưởng tại VinES, chuyên gia trong lĩnh vực điện tử và hệ thống ô-tô.

Có thể nói, trong bối cảnh cuộc khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay, việc phát triển xe điện và pin xe điện đang trở thành một lựa chọn được nhiều quốc gia, công ty hướng đến. Dự báo về tăng trưởng xe điện toàn cầu thời gian tới, GS Khalil Amine cho biết đến năm 2030, thế giới dự kiến sẽ có 20 triệu xe điện. Tuy nhiên, một vấn đề lớn mà ngành xe điện đang phải đối mặt hiện nay là pin nhiên liệu lithium vẫn có giới hạn về điều kiện lưu trữ.

GS Khalil Amine nhấn mạnh chi phí là rào cản chính đối với quá trình điện hóa và lưu trữ năng lượng. Để bảo đảm chi phí thấp hơn, đòi hỏi phải giảm kích cỡ pin lưu trữ năng lượng, trong đó giải pháp là tăng mức độ giá trị điện phân, điện cực.

“Ta có thể tăng 300% trong thế hệ pin tiếp theo. Ta có thể phủ điện cực ion giúp tăng mật độ năng lượng, cải thiện vòng đời sử dụng của pin, chẳng hạn như pin 4,3V có thể tăng lên 4,6V. Hệ thống này vừa tạo ra năng lượng cao, vừa giảm mức phát nhiệt ra bên ngoài, tạo nên sự ổn định về cung cấp năng lượng”.

GS Khalil Amine cho biết các giải pháp về điện cực niken-mangan-coban (NMC) có thể giải quyết bài toán trên, tuy nhiên trong hệ thống pin này vẫn cần 10% coban để tạo sự ổn định. Mục tiêu tiếp theo là loại trừ coban.

Quang cảnh phiên tọa đàm.

Tương tự, với pin lithium, ta có thể đạt chi phí ở mức 70 USD/kwh. Toàn bộ hệ thống pin có thể lithium hóa, và mục tiêu hướng tới trong tương lai là pin lithium không khí.

Theo GS Khalil Amine, điện hóa xe đang là xu hướng tăng trưởng mạnh, đặt ra yêu cầu giảm chi phí và tăng năng lượng cho pin, và đây là cơ hội để giải quyết vấn đề lưu trữ năng lượng.

Không có pin nào cho mọi hệ thống

Phát biểu tại phiên tọa đàm, GS Linda Faye Nazar nhấn mạnh tầm quan trọng của pin trong việc vận hành robot, khai thác nguồn năng lượng tái tạo cũng như phục vụ vận tải, tuy nhiên không có loại pin nào có thể áp dụng cho mọi hệ thống. Pin có quy mô khác nhau nên cần quan tâm vấn đề nguyên liệu khi nhu cầu về pin rất đa dạng.

Theo GS Linda Nazar, pin có thể khác nhau về quy mô song lại giống nhau về bản chất, đó là lưu trữ ion. “Gần đây, chúng tôi quan tâm đến pin thể rắn và pin không khí. Ta có thể thay vật liệu trong các cực của pin thành graphite carbon hoặc Natri-ion để tạo ra các loại pin an toàn hơn. Ta cũng thay điện cực từ chất lỏng sang thể rắn”.

Thời gian qua, có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực pin sử dụng Natri, vì Natri là chất sẵn có trong môi trường với chi phí thấp, số lượng lớn, từ đó tạo ra các bộ gom dòng tiết kiệm về thể tích, an toàn, hoặc có thể dùng nhiều kim loại chuyển tiếp như sắt, mangan, từ đó tạo ra pin có công suất lưu trữ lớn. Việc sử dụng vật liệu mangan kết hợp trong pin thì không ứng dụng được trên thực tế vì gây mờ điện áp.

Bên cạnh đó, GS Linda Nazar cho biết pin Lithium Sulfur cũng đang là đối tượng của hàng nghìn nghiên cứu. Bà và nhóm của mình đã nghiên cứu phát triển loại pin này từ năm 2016 để giúp nâng cao mật độ năng lượng trong pin. Muốn làm được điều đó thì phải giải quyết được việc phân tán điện cực. Tuy nhiên, GS Linda Nazar và các cộng sự có một cách tiếp cận khác.

GS Sir Richard Henry Friend - Chủ tịch Hội đồng Giải thưởng VinFuture điều hành phiên tọa đàm.

“Thay vì phân cực, chúng tôi tạo ra các điện cực có khả năng phân hủy Polysulfur tối ưu, giúp tăng mật độ năng lượng. Chúng tôi đã dùng các điện cực với thiết kế cấu trúc khác nhau để ngăn hiện tượng hòa tan Polysulfur, hiệu quả có thể lên tới 100% trong khi có thiết kế nhỏ gọn” – GS Linda Nazar nhấn mạnh.

GS Linda Nazar đánh giá pin Lithium Sulfur kết hợp giữa lỏng và rắn có thể là xu hướng mới tương lai khi mô hình này được đánh giá rất cao trên thị trường hiện nay và được một số hãng ô-tô tiến hành thử nghiệm. Tuy nhiên, bà cũng lưu ý trong quá trình này cần cẩn trọng, khi thử nghiệm kết hợp giữa lỏng và rắn phải tính tới giải pháp bảo đảm cân bằng, ổn định.

GS Linda Nazar cho biết giải pháp pin Lithium Sulfur thể rắn hoàn toàn sẽ là bước tiếp nối để mở ra những giải pháp mới.

Cần có cơ chế thúc đẩy sản xuất năng lượng tái tạo và pin tích năng

Trong phần hỏi đáp (Q&A), các diễn giả nhấn mạnh sự cần thiết phải có cơ chế, chính sách thúc đẩy sản xuất các loại năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời… cũng như phát triển pin tích trữ năng lượng.

Dẫn ví dụ về thực hiện mô hình hóa lưới điện địa phương ở California năm 2014, GS Daniel Kammen (Đại học California, Berkeley, Hoa Kỳ), cho biết có thể đưa ra quy định dành 2% phụ tải bằng nguồn tích năng, như vậy sẽ giảm áp lực cho lưới điện. Tỷ trọng này tuy nhỏ nhưng về lâu dài sẽ có tác động lớn.

Một chính sách khuyến khích khác được ông Brian Dillard - Giám đốc Chiến lược Công nghệ và Tăng trưởng tại VinES đưa ra là chính sách về thuế, như hoàn thuế đối với xe điện, nhất là đối với các đơn vị đi tiên phong.

Bàn về tính bền vững của vật liệu, ông Brian Dillard nhấn mạnh tầm quan trọng của tái chế, đặc biệt là tái chế vật liệu quý hiếm như niken, coban, trong khắc phục sự khan hiếm nguyên vật liệu cũng như giải quyết vấn đề môi trường.

“Tái chế giúp ta có pin sử dụng lần 2 với năng lượng tương tự lần 1, mang lại cơ hội khai thác pin hiệu quả hơn cho đến khi có nguồn nguyên liệu hoặc vật liệu mới có thể thay thế mangan, niken” - GS Khalil Amine cho hay.

GS Daniel Kammen - Đại học California, Berkeley (Hoa Kỳ) chia sẻ trong phiên tọa đàm.

Theo GS Daniel Kammen, công nghệ Hydro có thể là một giải pháp đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao. Hiện có các nghiên cứu lấy hydro từ nhiên liệu hóa thạch, tức là hydro xám, song Giáo sư thuộc Đại học California, Berkeley (Hoa Kỳ) cho rằng cần tập trung vào hydro xanh. Theo đó, có thể tạo ra hydro từ quy trình sinh học và sử dụng các container để lưu trữ nguồn năng lượng này.

Trả lời câu hỏi “Vật liệu kim loại nào sẽ là xu hướng chính trong các cực của hệ thống pin, từ 2025 tới 2030”, GS Linda Faye Nazar - Đại học Waterloo (Canada) nhận định đến năm 2025 chỉ có thể tăng niken, giảm coban chứ chưa có đột phá. Dài hơn tới 2030 thì có thể hình dung về công nghệ mới với vật liệu mới như natri, pin thể rắn hoàn toàn, hoặc pin sulfur.

Trong khi đó, các diễn giả khác cũng tỏ ra khá lạc quan về triển vọng pin thể rắn hoàn toàn trong thập niên tới. Ông Brian Dillard cho biết pin thể rắn có thể chuyển dịch hoàn toàn, giống như giai đoạn thay đổi từ khí tự nhiên sang hóa lỏng, đồng thời nhấn mạnh công nghệ này có cơ hội nếu có vật liệu mới.