Tất cả bằng điện: Tại sao một tương lai sạch cần xe điện và nhiều hơn thế nữa

27 minute read

Updated on Wed Mar 03 2021

Điện thoại, tủ lạnh, và TV có những điểm chung gì? Chúng đều sử dụng năng lượng ở dạng điện.

Nhưng có một số thứ lại sử dụng trực tiếp nhiên liệu hóa thạch như dầu và khí đốt đó. Bạn nghĩ hai điều nào dưới đây sử dụng nhiều dầu và khí đốt nhất?


Tại sao chúng ta muốn (hầu hết) mọi thứ chạy bằng điện? Vì lò phản ứng hạt nhân sạch, tấm pin mặt trời và tuabin gió đều sản xuất điện. Để sử dụng nguồn điện sạch này, chúng ta cần có khả năng cung cấp năng lượng vận chuyển và làm nóng bằng điện hơn là bằng dầu hoặc khí đốt.

Thêm vào đó, việc chuyển phát thải di động (ví dụ như từ xe) thành phát thải đứng yên (từ các nhà máy điện) cũng khiến việc trữ khí cacbonic trở nên dễ dàng hơn. Ta sẽ nói thêm về điều này trong khóa học về "Sự cải tiến Công nghiệp" nhé!

Việc chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng có hiệu suất gần 100%. Điều duy nhất ngăn cản chúng ta làm điều này là do giá thành của khí đốt cực kì thấp. Do đó, chúng ta cần làm cho điện sạch trở nên rẻ hơn. Xin lưu ý rằng việc sử dụng điện thay cho khí đốt sẽ chẳng có ích gì nếu điện đến từ nhiên liệu hóa thạch cả.

Vậy còn giao thông thì sao?

Pin có thể thay thế 71% nhiên liệu cho phương tiện giao thông!

Pin vs nhiên liệu máy bay phản lực

Nhưng còn ô tô, xe tải, xe buýt, v. v. thì sao? Ô tô điện đã xuất hiện rồi và, với một số cải tiến về hiệu suất và tuổi thọ của pin, xe tải điện cũng sẽ trở nên khả thi. May mắn thay, loại hình vận tải đường bộ này chiếm phần lớn tổng lượng phát thải từ phương tiện giao thông.

Tỷ lệ phát thải giao thông vận tải

Cải thiện hiệu suất, tuổi thọ và chi phí của pin là trọng tâm của quá trình chuyển đổi sang phương tiện giao thông bằng điện. Nếu điều này nghe có vẻ thú vị với bạn, hãy đọc tiếp nhé! Chúng ta sẽ thảo luận khá chi tiết về cách hoạt động của pin ngày nay và sau đó đi sâu vào cách chúng có thể được cải tiến đó.

Pin là gì?

Pin Lithium-Ion

Có rất nhiều loại hóa chất trong pin, nhưng chúng thường bao gồm những thành phần có các vai trò sau:

  • Nguyên tử Liti, mỗi nguyên tử trong số đó có thể mất một electron để trở thành ion liti dương (đó là nguồn gốc của từ "pin lithium-ion"!).
  • Catôt - một vật liệu hút Liti (đây là phần mang điện tích dương của pin).
  • Anôt - một vật liệu có thể lưu trữ các ion Liti và electron, thường là một vật liệu được gọi là than chì (đây là phần mang điện tích âm của pin).
  • Bộ phân cách - một bức tường giữa catôt và anôt. Các ion Liti có thể đi qua nó, nhưng các electron thì bị chặn lại.
  • Chất điện phân - vật liệu mà catôt và anôt được đặt vào. Nó không có điện tích nên không tương tác với phần còn lại của pin và có thể ở thể lỏng hoặc rắn.

Hãy tìm hiểu chi tiết hơn về điều này.

Quá trình sạc diễn ra như thế nào?

Tổng kết lại, quá trình sạc liên quan đến việc sử dụng năng lượng để buộc Liti từ cực dương catôt sang cực âm anôt.

Năng lượng được lưu trữ dưới dạng nào trong pin?


Quá trình sạc pin Lithium-Ion

Khi pin rỗng được kết nối với một nguồn điện khác, một electron sẽ được tách khỏi mỗi nguyên tử Liti và bắt đầu chạy qua nguồn điện từ catôt sang anôt.

Tại sao lại thế?


Khi một electron bị tách khỏi Liti, nó sẽ để lại các ion Liti mang điện tích dương. Các ion mang điện tích dương này bị hút về anôt mang điện tích âm, chứa các electron. Kết quả là các ion chạy qua bộ phân tách vào anôt.

Sau đó than chì trong anôt hoạt động giống như miếng bánh mì trong một chiếc bánh sandwich, giữ các ion Liti và electron phân tách giữa các lớp của nó cho đến khi pin được xả hết. Đây là trạng thái không ổn định - các ion Liti thực sự muốn được kết hợp với các electron của chúng.

Anôt

Tại sao các electron và ion Liti không quay trở lại qua bộ phân tách?


Quá trình xả diễn ra như thế nào?

Quá trình xả của pin Lithium-Ion

Khi anôt và catôt được kết nối qua dây cáp, các ion Liti chạy ngược lại qua bộ phân tách, trong khi các electron đi ngược lại qua mạch bên ngoài. Ở catôt, chúng tái kết hợp và trở lại trạng thái ổn định.

Khi các electron chạy ngược lại qua dây cáp, chúng tạo ra dòng điện. Dòng điện này có thể được sử dụng để cung cấp điện cho bóng điện, điện thoại của bạn và các thiết bị khác nữa!

Tại sao lại là Liti chứ?

Trong số tất cả các nguyên tố chúng ta biết, Liti là một trong những nguyên tố sẵn lòng cho đi các electron nhất. Các vật liệu khác tương đối sẵn sẵng hơn để nhận các electron. Điều này phần lớn là do cấu hình electron của chúng.

Tại sao lại như vậy? Các nguyên tử được cấu tạo bởi lõi (gọi là hạt nhân) và các electron. Các electron bao quanh lõi trong các lớp electron. Các nguyên tử muốn lớp của chúng được "lấp đầy". Chúng thậm chí sẵn lòng chia sẻ các electron của chúng với các nguyên tử khác để làm cho điều này diễn ra. Quy tắc này là trọng tâm của pin.

Các lớp electron của Liti và Flo

Hãy nhìn vào hai nguyên tử này: Liti và Flo. Bạn nghĩ nguyên tử nào sẽ sẵn lòng cho đi các electron hơn?


Với Flo, việc lấy thêm một electron sẽ dễ dàng hơn là cho đi bảy electron. Với Liti, việc cho đi 1 electron sẽ dễ dàng hơn.

Chúng ta có thể cải thiện pin không?

Như chúng ta đã nói, xe điện đã có sẵn trên thị trường và rất có ích. Tuy nhiên, chúng vẫn tương đối đắt và luôn tốt hơn nếu ta có những cải tiến về hiệu suất. Cải tiến xe tải theo cách này nghe còn thực tế, nhưng máy bay điện hay tàu điện rất khó để dùng công nghệ pin hiện nay. Liệu ta có thể biến chúng thành hiện thực không?

Có những khía cạnh quan trọng chúng ta thực sự muốn cải thiện ở pin là:

Cải thiện pin

Hầu hết các công nghệ đều có giới hạn vật lý. Ví dụ như các tấm pin mặt trời thương mại ngày nay chỉ hấp thụ 20% ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng. Trên lý thuyết, chúng ta có thể chế tạo tấm pin mặt trời thu được 100% ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng, nhưng rõ ràng là không bao giờ có thể hơn 100% cả. Đây là giới hạn lý thuyết.

Giới hạn lý thuyết

Việc tăng số chu kỳ sạc ở pin hoạt động không có giới hạn lý thuyết rõ ràng. Vậy trong thực tế thì sao? Pin ngày nay tồn tại sau hàng nghìn chu kỳ, nhưng nghiên cứu gần đây có thể làm tăng chỉ số này lên gấp 2 đến 3 lần. Sẽ là một khoảng thời gian thú vị phía trước nhỉ!

Vậy còn trọng lượng và kích thước của chúng thì sao?

Pin nhẹ và nhỏ hơn?

Các pin hiện đại có thể chứa khoảng 250Wh năng lượng vào 1kg pin. Để so sánh, các loại nhiên liệu như dầu diesel hoặc dầu hỏa có thể chứa đến 13.000Wh/kg!

Pin so với nhiên liệu lỏng

Chúng ta có thể cải thiện điều này như thế nào? Hãy bắt đầu với những giới hạn lý thuyết để xem có những nỗ lực thực tế nào xứng đáng hay không. Chúng ta không thể đặt mục tiêu nào cao hơn kết quả tuyệt đối tốt nhất cả, vì thế đây luôn là một bước khởi đầu tốt!

Điều đầu tiên cần ta cần xem xét là việc từng thành phần của pin nặng đến thế nào:

Khối lượng của pin theo thành phần

Bước 1: Hãy loại bỏ tất cả những thứ "không cần thiết". Mọi thừ ngoại trừ catôt và anôt đều chỉ có mặt ở đó để bổ trợ mà thôi - trong thế giới thực chúng ta cần nó, nhưng trên lý thuyết thì không hề. Lưu ý rằng trọng lượng của Liti đã được bao gồm trong trọng lượng của catôt và anôt rồi.

Khối lượng của pin ngày nay còn lại là bao nhiêu nếu chúng ta chỉ giữ lại anôt và catôt? (Gợi ý: hãy nhìn vào các con số ở trên)


Trên lý thuyết, chúng ta có thể bỏ anôt luôn không


Chúng ta cần thu hoạch Liti từ một nơi nào đó, và đó là tất cả lý do tại sao anôt lại ở trong pin. Ta có cách làm việc này mà không cần đến anôt.

Bởi vì chúng ta đang tìm kiếm giới hạn lý thuyết, chúng ta hãy cực kỳ lạc quan và nói rằng nó vẫn hoạt động như cũ mà không cần các thành phần khác và chúng ta có thể giảm khối lượng của anôt xuống bằng không. Bây giờ, khối lượng còn lại là bao nhiêu?


Nếu chúng ta có thể chế tạo pin mà không có các bộ phận hỗ trợ và anode có khối lượng bằng không, chúng ta có thể giảm khối lượng xuống còn 41% trọng lượng của pin ngày nay, cho chúng ta một mức năng lượng cụ thể là 250/0,41 = 609Wh/kg.

Bây giờ chúng ta chỉ còn lại catôt và anôt không có khối lượng mà thôi. Chúng ta còn có thể làm gì khác nữa không?


Catôt tốt nhất có thể là gì?

Chúng tôi muốn chọn vật liệu có khối lượng tối thiểu và lực hút mạnh đối với Liti.

Dưới đây là một số vật liệu đang được khám phá để làm các lựa chọn để khiến catôt nhẹ hơn, cùng với năng lượng riêng cực đại theo lý thuyết của chúng:

Năng lượng riêng của các loại pin và xăng

Có vẻ như Lithium-O₂ có thể tạo ra pin nhẹ như xăng đó!

Pin Li-S & Li-O₂ có thực sự khả thi không?

Catôt phải có những tính chất nào sau đây?


Loại catôt thông dụng nhất hiện nay là Liti Coban Oxit (LiCoO₂). Mặc dù nó hơi nặng, nhưng nó hoạt động hiệu quả. So với nó, những loại pin "tốt hơn" mà ta nói ở đây vẫn đang được phát triển.

Pin Lithium-Sulfur cũng đã có ở thị trường, nhưng vẫn chưa có ở quy mô lớn.

Pin Lithium-O₂ thì có nhiều khó khăn hơn trong việc phát triển hơn so với pin Li-S, nhưng chúng vẫn có thể làm được. Chỉ là ta không biết chắc được liệu rằng ta có thể khiến chúng trở nên hiệu quả đến mức có thể sử dụng được hay không mà thôi.

Thứ không hay ở đây là việc đó giờ ta chỉ nói về những con số trên lý thuyết. Nếu bạn còn nhớ, chúng ta đã chẳng quan tâm đến bất kì thành phần nào khác ngoài catôt. Catôt chỉ chiếm có 41% tổng khối lượng thôi, do đó dù ta có đạt được đến khối lượng tối thiểu của catôt, 59% khối lượng pin còn lại hiện nay vẫn sẽ chiếm một lượng đáng kể. Điều này đồng nghĩa với việc ta sẽ không đạt được cải tiến gấp 2 lần kể cả khi catôt nhẹ như không khí!

Ui cha! Mặc dù các nghiên cứu gặp rất nhiều khó khăn nhưng với rất nhiều sự động não (và cả vốn đầu tư), những công nghệ này đang dần dần trở nên tốt hơn! Cả anôt và vật liệu để giữ pin lại với nhau cũng đang trở nên nhẹ hơn, và các nhà nghiên cứu cũng liên tục có các cải tiến mới.

Kết luận chính ta rút ra được là: chúng ta sẽ không bao giờ có được loại pin nào có mức năng lượng chính xác tương tự như xăng, nhưng ta có thể khiến pin có thể trữ được gấp 2 lần, hoặc thậm chí đến cả 3 đến 5 lần lượng năng lượng trữ trên mỗi kg pin hiện nay.

Làm thế nào để làm ô tô điện và xe tải điện trở nên rẻ hơn

Giá pin lithium-ion đã giảm đáng kể trong những năm gần đây và được dự đoán sẽ còn giảm hơn nữa.

Giá của bộ pin

Điều này một phần là do sự đổi mới, nhưng cũng do quy mô. Ngày nay, chúng ta đang chế tạo nhiều loại pin hơn cách đây vài năm và điều đó cho phép ngành công nghiệp sử dụng các phương pháp sản xuất hàng loạt giúp toàn bộ quy trình rẻ hơn. Công ty Tesla, một trong những nhà sản xuất pin lớn nhất thế giới, đang xây dựng các nhà máy khổng lồ để tăng cường tự động hóa, sản lượng và giảm chi phí.

Chúng ta có thể sử dụng pin để giải quyết vấn đề lưu trữ của năng lượng Mặt Trời và gió không?

Đối với phương tiện vận tải điện, mật độ năng lượng và năng lượng riêng là rất nhiều. Tuy nhiên, đối với lưu trữ quy mô lưới, khả năng mở rộng và chi phí quan trọng hơn nhiều. Tại sao lại như vậy? Bởi vì chúng ta cần lưu trữ rất nhiều năng lượng. Hãy nhìn vào các con số nào.

Với mức giá sản xuất hiện tại là khoảng 150 đôla Mỹ/kWh cho bộ lưu trữ pin, ta sẽ cần bao nhiêu để chế tạo pin để lưu trữ lượng năng lượng mà thế giới sử dụng trong một ngày?


Chúng ta muốn thấy một con số thấp hơn ở đây, nhưng đáng buồn thay, đây là mức ta đạt được hiện tại. 70 nghìn tỷ đô la Mỹ là hơn 80% tổng GDP thế giới năm 2018. Điều đó có nghĩa là, việc chế tạo pin để chứa được lượng điện thế giới cần cho một ngày sẽ có giá bằng 80% giá trị tất cả hàng hóa được sản xuất trong năm 2018 - tất cả luôn đó!

Pin ngày nay đắt lắm!

Pin cực kỳ quan trọng đối với quá trình điện hóa giao thông vận tải, vì vậy những gì bạn đã học ở đây vẫn rất hữu ích đó!

Nhưng chúng ta vẫn chưa từ bỏ việc lưu trữ quy mô lớn đâu! Chúng ta sẽ tìm hiểu một vài giải pháp lưu trữ năng lượng thay thế trong hai chương sau. Nhưng trước tiên, chúng ta hãy tìm hiểu về nhiên liệu hydro và khám phá cách nó có thể điện hóa máy bay và tàu thủy, đồng thời có thể là một giải pháp thay thế cho pin trên ô tô nào!

Chương tiếp theo