Nghiên cứu Lưu huỳnh, các nhà khoa học tình cờ tìm ra loại pin kỳ diệu mới, có thể thay đổi toàn bộ ngành xe điện

Loại pin mới dựa trên Lưu huỳnh có thể có mật độ năng lượng cao gấp 3 lần pin Lithium-Ion thông thường, trong khi có tuổi thọ cao gấp đôi và thân thiện hơn với môi trường.

Phạm vi hoạt động là một trong những vấn đề thường trực đối với xe điện hiện nay. Cho dù phạm vi gần 500km đang ngày càng trở nên phổ biến trong xe điện hiện tại, hầu hết các xe chạy xăng có thể đi được quãng đường xa gấp đôi con số trên chỉ với một bình xăng. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chiếc xe điện của bạn có thể đi được 1.500km chỉ trong một lần sạc?

Chìa khóa của công nghệ pin kỳ diệu này nằm ở một chất hóa học rất phổ biến trong tự nhiên: lưu huỳnh. Và không chỉ xe điện, loại pin mới này có thể tạo nên cuộc cách mạng trong cách sống của nhân loại cũng như mở ra cách tiếp cận mới về công nghệ thân thiện với môi trường.

Trên thực tế, từ lâu người ta đã biết đến loại pin Lithium-Sulfur có thể khắc phục được nhiều vấn đề của pin Lithium-Ion. Nó không dùng đến các kim loại như Cobalt – loại hóa chất độc hại và gây ra nhiều vấn đề xã hội trong quá trình khai thác. Bên cạnh đó, lưu huỳnh cũng có chi phí khai thác thấp hơn, giúp pin có chi phí sản xuất rẻ hơn. Nhưng quan trọng nhất là mật độ năng lượng có thể cao gấp 3 lần pin Lithium-Ion cũng như khó bắt lửa hơn, an toàn hơn.

Nhưng tại sao cho đến giờ vẫn ít người biết đến loại pin kỳ diệu này? Vì nó có một nhược điểm rất lớn đó là tuổi thọ pin ngắn. Trong khi pin Lithium-Ion có thể sử dụng sau khoảng 2.000 lần sạc, pin Lithium-Sulfur có số lần sạc chỉ bằng ½ con số đó. Điều này nghĩa là sau khoảng 1 hay 2 năm sử dụng, viên pin Lithium-Sulfur sẽ hỏng hoàn toàn.

Một nhóm các nhà khoa học tại Drexel, Đức cố gắng vượt qua thách thức này bằng cách thay đổi thành phần hợp chất trong cực âm của viên pin. Mục tiêu là làm chậm lại quá trình tạo ra PolySulfide khi sạc xả pin. Các tinh thể này tách Sulfur ra khỏi điện cực và làm dung lượng pin rất suy giảm và cuối cùng không dùng được nữa.

Nhưng họ vô tình phát hiện ra điều còn kỳ diệu hơn nữa: một pha hóa học của lưu huỳnh có thể chặn đứng quá trình thoái hóa pin này. Pha hóa học này được gọi là Lưu huỳnh pha gamma đơn (monoclinic gamma-phase sulfur) trước đây chỉ được phát hiện trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ cao – 95 độ C. Đây là lần đầu tiên nó được phát hiện ở nhiệt độ phòng.

Trong pha hóa học này, quá trình tạo ra PolySulfide hoàn toàn dừng lại và các nhà khoa học nhận thấy, khối pin có thể sạc đến 4.000 lần mà không bị giảm dung lượng. Nghĩa là nó còn có tuổi thọ cao gấp đôi pin Lithium-Ion. Đó là còn chưa kể đến việc khối pin này có mật độ năng lượng cao gấp 3 lần pin Lithium-Ion thông thường.

Đây thực sự là một phát hiện tuyệt vời. Nhưng giống như nhiều khám phá khoa học 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. Vì vậy cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để trả lời câu hỏi trên cũng như phát triển nên loại pin ổn định cho hàng tỷ điện thoại, máy tính, ô tô điện cũng như nhiều sản phẩm khác trong tương lai.

Nhưng không chỉ các thiết bị trên, thành công với loại pin mới này còn mở ra tương lai cho các phương tiện vận tải chạy điện khác như máy bay tầm ngắn, tàu chở hàng, phà chở khách ... Một loại pin trọng lượng nhẹ, dung lượng cao, tuổi thọ cao cùng mức giá cạnh tranh sẽ khiến các phương tiện chạy điện hoàn toàn có ưu thế so với các phương tiện dùng nhiên liệu hóa thạch thông thường.

Điều này sẽ biến giấc mơ về việc giảm mức phát thải ròng xuống bằng 0 trở thành hiện thực trong tương lai. 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 vững chắc hơn.

Các nhà khoa học tại Drexel còn muốn đi xa hơn nữa khi tìm cách tạo ra loại pin Sodium-Sulfur - loại bỏ sự cần thiết của Lithium và thay thế bằng Natri - một bước tiến xa hơn nữa nhằm biến các khối pin này trở nên thân thiện với môi trường cũng như loại bỏ các nút thắt trong chuỗi cung ứng.