Tại sao chúng ta sử dụng pin dựa trên Lithium? 4 lựa chọn thay thế

Pin dựa trên lithium đã không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta trong nhiều thập kỷ và được yêu cầu cho các thiết bị điện tử khác nhau. Nhưng tại sao pin dựa trên lithium lại trở nên phổ biến và là lựa chọn thay thế tốt hơn? Điều gì một ngày nào đó có thể thay thế hoàn toàn pin dựa trên lithium?

Pin dựa trên Lithium là gì?

Pin gốc lithium (pin lithium-ion) là loại pin phổ biến nhất hiện nay. Ý tưởng về pin lithium lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1976 bởi Michael Stanley Whittingham, một nhà hóa học người Anh. Pin lithium lần đầu tiên được bán trên quy mô rộng vài năm sau đó, vào năm 1991, khi chúng được đưa vào sản xuất hàng loạt.

Pin dựa trên lithium có thể có nhiều dạng, với các biến thể đáng chú ý nhất bao gồm lithium iron phosphate, lithium coban oxide, lithium mangan oxide và lithium nickel mangan cobalt oxide. Những pin này chứa các tế bào năng lượng nhỏ, mỗi tế bào bao gồm một điện cực dương (cực âm), một điện cực âm (cực dương) và chất điện phân.

Trong tế bào, các ion lithium di chuyển giữa các điện cực dương và âm, với chất điện phân đóng vai trò là vectơ chuyển động. Các ion liti (Li+) có điện tích dương và do đó bị hút về điện cực âm. Hai điện cực cũng được tạo thành từ các thành phần chính. Trong trường hợp pin oxit lithium coban điển hình, cực âm được làm bằng oxit lithium coban, trong khi cực dương thường được làm bằng hợp chất dựa trên carbon được gọi là than chì.

Cực âm sẽ giải phóng một số ion lithium dương của nó, sau đó các ion này sẽ di chuyển đến cực dương thông qua chất điện phân, giải phóng năng lượng mà pin sẽ sử dụng để tạo ra năng lượng. Quy trình nhanh chóng và đơn giản này hiện đang được hàng tỷ người trên thế giới sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị của họ.

Nhiều nhãn hiệu pin lithium-ion chỉ sử dụng một lần. Mặc dù chúng có thể cung cấp năng lượng cho thiết bị trong nhiều tuần, nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm, nhưng thiết bị này phải được xử lý và thay thế sau khi hết pin. Tuy nhiên, pin dựa trên lithium có thể sạc lại hiện đang rất phổ biến, vì chúng có thể tiết kiệm tiền cho người dùng và tạo ra ít chất thải hơn.

Nhưng chính xác thì tại sao pin dựa trên lithium lại là lựa chọn hàng đầu? Điều gì làm cho chúng trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các nhà sản xuất và người tiêu dùng?

Tại sao chúng ta sử dụng pin dựa trên Lithium?

Chúng tôi chủ yếu sử dụng pin dựa trên lithium vì tuổi thọ cao so với các loại pin khác. Các nhà sản xuất muốn sản xuất và bán loại pin cung cấp năng lượng trong vài ngày mà vẫn nhẹ và nhỏ gọn. Ngoài ra, theo Viện Năng lượng Sạch, pin Lithium-ion có khả năng tự xả rất thấp, khoảng 1-2% mỗi tháng, nghĩa là chúng mất một tỷ lệ phần trăm thấp hơn trong tổng công suất điện mỗi khi sử dụng.

Pin lithium-ion có thể tạo ra năng lượng thông qua một quy trình hóa học đơn giản, khiến chúng trở thành một lựa chọn rất hấp dẫn đối với các nhà sản xuất. Thêm vào đó, mật độ năng lượng của pin lithium-ion khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên nhất. Pin lithium-ion tiêu chuẩn có công suất 260-270wh/kg (watt-giờ trên mỗi kg), trong khi pin chì-axit chỉ có thể đạt công suất 50-100wh/kg (theo Dragonfly Energy). Mật độ năng lượng của pin lithium-ion cũng là một lý do chính khiến chúng thường được sử dụng trong xe điện.

Vì những yếu tố này, pin dựa trên lithium phổ biến trong công chúng và chúng không đắt để mua. Mặc dù một số nhãn hiệu hoặc mẫu pin nhất định có thể có giá cao hơn, nhưng pin dựa trên lithium tiêu chuẩn thường có giá khá phải chăng và có sẵn ở hàng triệu cửa hàng trên toàn thế giới.

Nhưng pin lithium-ion không có nghĩa là hoàn hảo. Trên thực tế, có một số vấn đề rõ ràng liên quan đến nguồn năng lượng cực kỳ phổ biến này.

Sự cố với Pin Lithium

Một trong những vấn đề lớn nhất liên quan đến pin lithium-ion là lượng chất thải khổng lồ mà chúng tạo ra. Nhiều người chọn vứt bỏ pin thông qua rác thải thông thường sau khi hết điện, điều này gây hại cho môi trường.

Khi pin lithium-ion được thải bỏ cùng với các chất thải thông thường, không thể tái chế khác, chúng sẽ kết thúc ở bãi rác. Khi chúng hạ cánh xuống đây, các thành phần của chúng có thể bị rò rỉ và gây tổn hại nghiêm trọng đến môi trường xung quanh. Lithium, niken, coban và mangan đều có thể gây ra rủi ro ô nhiễm nghiêm trọng và đều có mặt trong các loại pin dựa trên lithium khác nhau.

Hơn nữa, việc khai thác lithium cho loại pin này cũng gây hại cho hành tinh của chúng ta. Lithium có thể được chiết xuất thông qua khai thác muối hoặc bay hơi, cả hai quá trình đều có tác động xấu đến môi trường. Ô nhiễm, tăng độ mặn của nước, khí thải CO2 và mất đa dạng sinh học đều là những tác dụng phụ đáng lo ngại của việc khai thác lithium.

Do thị trường pin lithium dự kiến ​​sẽ tăng 14,6% từ năm 2020 đến năm 2026 (theo báo cáo của Statista), có khả năng quá trình khai thác lithium sẽ tiếp tục gây ra mối đe dọa đối với môi trường. Đây cũng là một mối quan tâm ngày càng tăng trong ngành sản xuất xe điện.

Vì vậy, các lựa chọn thay thế là gì?

4 lựa chọn thay thế pin dựa trên Lithium hàng đầu

1. Pin nước mặn

Các đại dương nước mặn bao phủ 2/3 hành tinh của chúng ta. Vì vậy, làm thế nào tài nguyên này có thể được sử dụng để phát điện?

Pin nước mặn sử dụng dung dịch muối đậm đặc để sản xuất điện năng. Pin nước mặn cũng chứa một cực dương và một cực âm, với dung dịch muối đóng vai trò là chất điện phân (hoặc vectơ) cho các ion natri dương (ion Na+). Các ion natri di chuyển từ cực âm sang cực dương, tạo ra năng lượng.

Nước biển thực tế không được sử dụng trong pin nước mặn, nhưng một lượng lớn muối có thể được thu hoạch từ đại dương và được sử dụng cho các loại pin này. Sử dụng nước mặn để sản xuất pin có thể ít gây hại cho môi trường hơn nhiều so với các quy trình chiết xuất được sử dụng cho lithium, coban, niken và các kim loại khác được sử dụng trong pin.

2. Pin thủy tinh

Pin thủy tinh nghe có vẻ hơi bất thường, nhưng chúng có tiềm năng rất lớn. Pin thủy tinh là một ý tưởng tương đối mới, lần đầu tiên được nhà vật lý John Goodenough khái niệm hóa vào năm 2017. Loại pin này, được gọi là “pin Goodenough”, sử dụng thủy tinh làm chất điện phân. Trong khi chất điện phân của pin thường ở dạng lỏng thì pin thủy tinh lại hoàn toàn ở thể rắn.

Việc sử dụng chất điện phân rắn an toàn hơn đáng kể so với chất điện phân lỏng, giảm nguy cơ hỏa hoạn và loại bỏ nguy cơ rò rỉ trong bãi chôn lấp. Hơn nữa, pin thủy tinh có thể tồn tại lâu hơn pin lithium-ion, khiến chúng trở thành một giải pháp thay thế bền vững hơn về tổng thể. Natri cũng được sử dụng trong pin thủy tinh, như đã đề cập khi thảo luận về pin nước mặn, là nguồn tài nguyên bền vững hơn so với kim loại pin truyền thống.

3. Pin Natri-Lưu huỳnh

Pin natri-lưu huỳnh (NaS) là một dạng pin ở trạng thái lỏng sử dụng cực dương và cực âm nóng chảy. Trong trường hợp này, cực dương và cực âm ở dạng lỏng, với cực dương là natri nóng chảy và cực âm là lưu huỳnh nóng chảy. Loại pin này đã tồn tại từ những năm 1960 trước khi pin lithium-ion được phát minh. Nhưng pin NaS có tiềm năng gì trong thế giới của chúng ta?

Ưu điểm chính của pin natri-lưu huỳnh là mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu tại Đại học Sydney đã tạo ra một loại pin natri-lưu huỳnh có công suất năng lượng gấp bốn lần pin lithium-ion vào năm 2022. Hơn nữa, pin natri-lưu huỳnh ít độc hại hơn pin lithium-ion, đây là một tin tốt cho môi trường.

4. Pin gai dầu

Bạn sẽ không nghĩ cây gai dầu có khả năng thay thế pin lithium-ion, nhưng loại cây này một lần nữa đã chứng minh tính linh hoạt của nó. Tuy nhiên, những loại pin này có một lưu ý: chúng vẫn sử dụng các kim loại nặng như lithium để hoạt động.

Eco Watch báo cáo rằng một ví dụ về pin chạy bằng sợi gai dầu, do các nhà nghiên cứu phát triển vào năm 2022, sử dụng lithium và lưu huỳnh trong quy trình phát điện. Sự khác biệt ở đây là các kim loại nặng khác, như niken hoặc coban, không được sử dụng và bản thân pin có hiệu suất được cải thiện so với các biến thể lithium-ion truyền thống. Điều này là do sợi gai dầu giúp cực âm kéo dài tuổi thọ của nó qua các chu kỳ lặp đi lặp lại.

Pin làm từ cây gai dầu cũng tiết kiệm chi phí hơn và đang được cân nhắc sử dụng cho xe điện. Để tìm hiểu về các loại pin EV khác nhau, hãy xem phần chuyên dụng của chúng tôi về chủ đề này.

Ngành công nghiệp pin có thể trở nên xanh hơn nhiều trong tương lai

Với những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion đã được triển khai, thật thú vị khi nghĩ về tương lai của ngành công nghiệp pin. Nếu những giải pháp thay thế như vậy được thương mại hóa thành công, chúng ta có thể ngăn chặn vô số vấn đề môi trường và thảm họa. Nói chung, đây là một giải pháp đôi bên cùng có lợi cho việc thay thế lithium-ion!