Cải tiến pin cho tương lai xanh

3 giờ trướcBài gốc

Giải pháp xanh

Pin lithium-ion là “xương sống” của các loại xe điện và được coi là ít phải bảo trì vì chúng không cần chu kỳ sạc theo lịch trình để duy trì tuổi thọ của pin. Chúng cũng có mật độ năng lượng và điện áp cực cao và lưu trữ năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Mật độ năng lượng cao cho phép lưu trữ lượng điện lớn so với kích thước khiến pin lithium-ion trở thành lựa chọn hàng đầu cho xe điện, điện thoại thông minh và nhiều thiết bị sạc lại khác.

“Động lực lớn để sử dụng pin lithium-ion là cho xe điện, giúp giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch” - Linda Gaines, nhà phân tích hệ thống giao thông tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Hoa Kỳ), cho biết.

Theo bà Linda, cần rất nhiều năng lượng và tài nguyên để sản xuất xe và đặc biệt là pin. Với lượng khí thải do ngành giao thông thải ra hằng năm, bà cho rằng những loại pin này đáng giá với chi phí môi trường. Nhưng một số người vẫn lo ngại về “cái giá” cho hành tinh và cho nhân loại.

Mặc dù những loại pin này tạo điều kiện cho năng lượng tái tạo và tạo ra ít khí thải carbon hơn, nhưng chúng không phải là không có nhược điểm.

Thách thức đỏ

Chúng ta có được lithium thông qua khai thác gây hại cho môi trường. Câu hỏi là: Làm sao để biện minh cho sự tàn phá và ô nhiễm do quá trình khai thác gây ra, để đổi lấy các khoáng sản quý giá giúp cho nền kinh tế xanh?

Vì lithium có trọng lượng nguyên tử và bán kính nhỏ nên pin có khả năng lưu trữ điện áp và điện tích cao trên mỗi đơn vị khối lượng và đơn vị thể tích.

Một phương pháp mà các kỹ sư sử dụng để tạo ra lithium là chiết xuất nước muối bằng cách khoan vào một mỏ nước muối ngầm và sau đó bơm nước muối lên bề mặt. Sau đó, nước muối được đưa đến các ao bốc hơi - nước sẽ bốc hơi, để lại một chất cô đặc lithium.

Tuy nhiên, các báo cáo đánh giá về tác động tiêu cực của hoạt động khai thác mỏ đến môi trường lại rất nghiêm trọng. Theo Euronew.com: “Việc sản xuất lithium thông qua các ao bốc hơi sử dụng rất nhiều nước, khoảng 21 triệu lít mỗi ngày”.

Ở những vùng cực kỳ khô cằn của Nam Mỹ, nơi diễn ra hoạt động khai thác mỏ, nước - một nguồn tài nguyên khan hiếm - bị chuyển khỏi cộng đồng địa phương và đưa vào hoạt động khai thác mỏ, gây ra tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng từ axit sunfuric và natri hydroxit. Việc này cũng gây ra các vấn đề về tình trạng thiếu nước.

Theo Hội đồng Bảo vệ Tài nguyên Thiên nhiên (NRDC), mực nước cạn kiệt ở các giếng, đầm phá, nước ngầm và đất ngập nước đã gây ra những tác động bất lợi đến hoạt động nông nghiệp của họ.

Pin lithium thường được coi là an toàn cho con người và nhà cửa, miễn là pin không có lỗi. Mặc dù việc pin hỏng hóc không phổ biến, nhưng đã từng có những vụ cháy.

Nếu bị kích cháy, ngọn lửa dữ dội có thể bùng phát nhiều giờ, sẽ có nhiệt, áp suất và khí độc hại thoát ra. Khi trộn với gió, những khí này có thể lan vào cộng đồng nơi mọi người sinh sống. Trong một số trường hợp, vụ cháy pin lithium trên xe cần gần 114.000 lít nước để dập tắt hoàn toàn.

Để giảm thiểu rủi ro này, Cơ quan Quản lý an toàn và sức khỏe nghề nghiệp Hoa Kỳ khuyến cáo người tiêu dùng “tháo các thiết bị và pin chạy bằng lithium khỏi bộ sạc sau khi đã sạc đầy và bảo quản pin, thiết bị lithium ở nơi khô ráo, thoáng mát”. Ngoài ra, người tiêu dùng nên “kiểm tra xem pin có dấu hiệu hư hỏng không và nếu có, hãy dời pin ra khỏi bất kỳ khu vực nào có chứa vật liệu dễ cháy”.

Do mối đe dọa này, nhiều nhà nghiên cứu đang phát triển những giải pháp thông minh để hạn chế nguy cơ cháy nổ, đồng thời cải thiện thiết kế và vỏ pin như tích hợp chất chữa cháy hoặc cảm biến thông minh.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Surrey tại Anh phát triển cảm biến thông minh để phát hiện những trục trặc nguy hiểm bên trong pin lithium-ion

Pin tích hợp chất chữa cháy

Nhóm nghiên cứu do nhà hóa học phân tử Ying Zhang từ Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu phát triển nguyên mẫu pin với cực âm tẩm polymer chống cháy. Sau đó, họ thử nghiệm bằng cách tăng dần nhiệt độ bên trong pin nguyên mẫu và pin lithium tiêu chuẩn.

Cả hai loại pin đều bắt đầu nóng quá mức sau khi vượt qua 1000C. Ở nhiệt độ đó, polymer chuyên dụng bên trong cực âm bắt đầu phân hủy, giải phóng các gốc ức chế lửa để ngăn chặn tích tụ khí dễ cháy. Ở mức nhiệt trên 1200C, phản ứng dây chuyền của pin tiêu chuẩn khiến nó phát nổ trong vòng 13 phút, ngọn lửa cuối cùng đạt đến 1.0000C. Ngược lại, pin nguyên mẫu đạt nhiệt độ tối đa 2200C mà không hề bốc cháy. Nếu có thể mở rộng quy mô, thiết kế của Ying và cộng sự có thể giúp ngăn chặn vô số vụ cháy pin bằng cách chặn đứng ngọn lửa ban đầu.

Pin tích hợp cảm biến thông minh

Một giải pháp khác được các nhà nghiên cứu từ Đại học Surrey tại Anh phát triển là tích hợp cảm biến thông minh để phát hiện những trục trặc nguy hiểm bên trong pin lithium-ion trước khi chúng dẫn tới cháy nổ. Khác với cảm biến hiện nay thường nằm bên ngoài pin và phản ứng quá chậm, cảm biến tiên tiến được cài trực tiếp bên trong để giám sát nhiệt độ, áp suất và thay đổi hóa học trong thời gian thực, cung cấp cảnh báo sớm, thậm chí kích hoạt tính năng dập lửa tích hợp. Được thiết kế để có thể mở rộng quy mô, chi phí thấp và tương thích với quy trình sản xuất pin có sẵn, công nghệ này sẽ mở đường cho hệ thống xe điện, vận tải, hàng không và lưu trữ năng lượng an toàn và đáng tin cậy hơn.

Tiến sĩ Kai Yang, giảng viên vật liệu năng lượng và công nghệ nano tại Viện Công nghệ tiên tiến của Đại học Surrey, cho biết, cảm biến thông minh được tích hợp trực tiếp vào thành phần chính của pin như bộ thu dòng và tấm ngăn, cung cấp những chỉ số nhanh chóng, chính xác từ bên trong. Chúng không chỉ giám sát nhiệt mà còn phản ứng tích cực bằng cách sử dụng vật liệu chống cháy để làm chậm quá trình nóng lên quá mức.

“Việc bán ôtô xăng và diesel mới sẽ bị cấm ở Anh từ năm 2035, nhưng vấn đề an toàn, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ pin, vẫn là một trong những mối quan tâm lớn nhất. Các cảm biến pin này là cần thiết để cải thiện an toàn và bền vững mà không làm giảm hiệu suất”, Giáo sư Ravi Silva, Giám đốc Viện Công nghệ tiên tiến tại Đại học Surrey, chia sẻ.

Đại học Surrey đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ mới và đang tích cực tìm cách hợp tác với đối tác học thuật và công nghiệp.

Nhiều nhà nghiên cứu đang phát triển những giải pháp thông minh để hạn chế nguy cơ cháy nổ, đồng thời cải thiện thiết kế và vỏ pin như tích hợp chất chữa cháy hoặc cảm biến thông minh.

Quang Anh

Nguồn PetroTimes : https://petrotimes.vn/cai-tien-pin-cho-tuong-lai-xanh-731105.html