Khoa học tình cờ tìm ra loại "pin kỳ diệu", có thể thay đổi thế giới

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã nỗ lực tìm kiếm công nghệ tốt nhất để cung cấp năng lượng cho đời sống hiện đại, mà vẫn đảm bảo được sự cân bằng từ sinh thái, tính ứng dụng, bảo vệ môi trường... Câu trả lời có thể đã ở ngay trước mắt chúng ta: Lưu huỳnh.

Tuy nhiên do những hạn chế về mặt công nghệ, kể từ đầu những năm 90, công nghệ pin được lựa chọn là lithium-ion. Từ đó tới nay, lithium-ion cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ điện thoại, laptop, xe điện, cho tới các cơ sở điện lưới dự phòng và thậm chí cả vệ tinh không gian. Tuy nhiên, loại vật liệu này có một số mặt trái tương đối nghiêm trọng.

Pin lithium-ion lỗi thời, nhưng vẫn là lựa chọn duy nhất

Nói về nhược điểm của lithium-ion, đầu tiên phải kể đến coban - vật liệu cấu thành nên pin, là một chất gây hại cho môi trường sống của chúng ta, góp phần phá hủy hệ sinh thái rộng lớn, hay thậm chí đào thải ra các chất hóa học độc hại.

Tiếp sau đó, lithium-ion cũng gặp vấn đề về tuổi thọ pin, khi nhanh chóng mất đi dung lượng pin vốn có nếu sạc nhiều lần (hay còn gọi là "chai pin"). Điều này khiến chúng ta phải bỏ thêm chi phí để thay thế pin, nếu không muốn biến những thiết bị trở thành vô dụng.

Pin lithium-ion còn có nhược điểm là khá nặng, kích thước lớn và cồng kềnh. Điều này làm hạn chế phạm vi hoạt động của ô tô điện vì pin rất nặng, và thậm chí là không khả thi đối với một số ứng dụng, như máy bay điện thương mại hay tàu thủy.

Thậm chí, pin lithium-ion còn dễ gặp sự cố dẫn tới cháy nổ, vì chỉ cần 1 tế bào bị hỏng, có thể khiến pin tự bắt lửa và bùng cháy dữ dội.

Đây là lý do tại sao một nhóm các nhà khoa học tại Drexel, Đức, đang nghiên cứu một loại pin hoàn toàn mới, được gọi là lithium-sulfur (hay pin lưu huỳnh).

Nhìn bề ngoài, việc sử dụng lưu huỳnh trên pin lithium-sulfur vốn dĩ sẽ giải quyết được tất cả các vấn đề của lithium-ion. Chúng sử dụng các vật liệu ít độc hại hơn về mặt sinh thái, có chi phí sản xuất rẻ hơn, nhưng đảm bảo mật độ năng lượng cao hơn gấp 3 lần và ít có khả năng bắt lửa hơn.

Tuy nhiên, vì sao mà cho tới nay, lithium-sulfur chưa được lựa chọn để thay thế lithium-ion? Đó là bởi chúng tồn tại một vấn đề lớn: chu kỳ sạc.

Trong khi pin lithium-ion có thể sử dụng được trong khoảng 2000 chu kỳ sạc , thì lithium-sulfur thường bị giới hạn chỉ khoảng một nửa. Bởi vậy, sau khoảng từ 1 hoặc 2 năm sử dụng đúng cách, về cơ bản pin lithium-sulfur sẽ "chết".

Pin lưu huỳnh có chi phí sản xuất rẻ hơn, mật độ năng lượng cao hơn 3 lần

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thử các cách tiếp cận mới đối với lithium-sulfur, bằng cách thay đổi các hợp chất trong cực âm của pin.

Mục tiêu của họ là làm chậm phản ứng hóa học tạo ra polysulfua khi sạc pin và tích trữ điện năng. Theo lý giải, phản ứng này lấy lưu huỳnh ra khỏi điện cực một cách hiệu quả, từ đó cho phép những viên pin trở nên rất giàu năng lượng và có thể tồn tại lâu hơn.

Trước đây, phản ứng hóa học này được gọi là "Lưu huỳnh pha gamma đơn" (monoclinic gamma-phase sulfur), nhưng chỉ từng được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ cao - lên tới 95 độ C.

Tuy nhiên trong thử nghiệm thực tế ở điều kiện thường, phản ứng này đã đạt kết quả bất ngờ, khi dừng hoàn toàn phản ứng tạo ra polysulfua. Nó hiệu quả đến mức các nhà khoa học đã sạc thử viên pin qua 4.000 chu kỳ mà không bị giảm dung lượng. Điều này có nghĩa là nó tồn tại lâu hơn ít nhất gấp đôi so với lithium-ion.

Dẫu vậy, giống như nhiều khám phá tình cờ khác, các nhà khoa học vẫn chưa hình dung được điều gì đã thực sự xảy ra. Tại sao pha hóa học này của lưu huỳnh lại xuất hiện ở nhiệt độ thường, và làm thế nào tái tạo lại nó?

Bởi vậy, vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu để trả lời những câu hỏi trên, cũng như để phát triển ý tưởng này trở thành một loại pin ổn định.

Nếu công nghệ này được áp dụng thành công, nó sẽ biến giấc mơ về một loại pin có trọng lượng nhẹ, dung lượng cao, tuổi thọ cao, mức giá rẻ, khiến các phương tiện chạy điện hoàn toàn có ưu thế so với các phương tiện dùng nhiên liệu hóa thạch thông thường.

Hơn thế nữa, Lithium và lưu huỳnh là những nguyên tố phổ biến trên Trái Đất. Do vậy sử dụng chúng trong pin điện sẽ giúp giảm đáng kể tác động môi trường trong quá trình khai thác cũng như đảm bảo chuỗi cung ứng trở nên  vững chắc hơn.