Pin lithium–CO₂ thế hệ mới: Giải pháp kép cho năng lượng sạch và xử lý khí nhà kính

Pin lithium–CO₂ vận hành dựa trên nguyên lý “hô hấp”, tức là trong quá trình xả điện, pin sẽ thu giữ khí CO₂ từ môi trường để tạo ra năng lượng. Ngược lại, khi sạc lại, hợp chất carbonat lithium được phân hủy, giải phóng khí CO₂, giúp pin có thể tái sử dụng nhiều lần. Đây là điểm khác biệt lớn so với các loại pin lithium-ion truyền thống chỉ đơn thuần lưu trữ và phóng thích năng lượng mà không xử lý khí nhà kính. Nếu được phát triển hoàn chỉnh, pin lithium–CO₂ hứa hẹn vừa giúp lưu trữ năng lượng sạch từ các nguồn tái tạo như điện mặt trời, gió, vừa góp phần giảm thiểu lượng CO₂ phát thải ra khí quyển, từ đó hỗ trợ chống lại biến đổi khí hậu.

Tuy nhiên, trong những năm qua, pin lithium–CO₂ vẫn đối mặt với nhiều hạn chế lớn. Các loại pin thử nghiệm thường có tuổi thọ thấp, hiệu suất sạc không ổn định, và phụ thuộc vào các vật liệu đắt tiền như platin để làm chất xúc tác nhằm thúc đẩy các phản ứng hóa học cần thiết bên trong pin. Điều này khiến việc ứng dụng thực tiễn và sản xuất hàng loạt gặp nhiều khó khăn.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Surrey đã khắc phục những vấn đề trên nhờ phát hiện sử dụng chất xúc tác giá rẻ cesium phosphomolybdate (CPM). Thông qua kết hợp các phương pháp mô phỏng máy tính và thí nghiệm trong phòng lab, các nhà khoa học đã chứng minh rằng CPM không chỉ giúp tăng khả năng lưu trữ năng lượng của pin lên đáng kể mà còn giảm lượng điện năng tiêu thụ khi sạc. Đặc biệt, pin sử dụng CPM có thể hoạt động ổn định trong hơn 100 chu kỳ sạc – xả, một con số ấn tượng so với các phiên bản trước đây.

Một trong những nguyên nhân chính làm tăng tổn thất năng lượng trong pin lithium–CO₂ là hiện tượng “overpotential” – năng lượng dư cần thiết để khởi động các phản ứng điện hóa bên trong pin. CPM với cấu trúc xốp và ổn định được ví như “làm phẳng ngọn đồi” trên đường đi của phản ứng, giúp pin tiêu hao ít năng lượng hơn trong mỗi chu kỳ sạc và xả, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể.

Để làm rõ cơ chế hoạt động của CPM, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích các thay đổi hóa học bên trong pin sau nhiều chu kỳ vận hành. Kết quả cho thấy lithium carbonate – hợp chất được tạo ra khi pin hấp thụ CO₂ – có thể hình thành và phân hủy một cách bền vững, đảm bảo pin có thể sử dụng lâu dài mà không bị suy giảm hiệu suất. Bên cạnh đó, các nhà khoa học còn sử dụng mô hình lý thuyết dựa trên phương pháp hàm mật độ (DFT) để quan sát cách phản ứng diễn ra trên bề mặt CPM, qua đó hiểu rõ hơn tại sao CPM lại hoạt động hiệu quả như vậy.

Những phát hiện này không chỉ khẳng định hiệu quả của CPM mà còn mở ra cơ hội phát triển các loại chất xúc tác khác với chi phí thấp, dễ chế tạo nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao cho pin lithium–CO₂. Đây là bước tiến quan trọng hướng tới việc thương mại hóa công nghệ pin mới, có thể đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng tái tạo và giảm thiểu phát thải CO₂ trong các lĩnh vực giao thông, công nghiệp và cả không gian.

Đặc biệt, các nhà nghiên cứu còn đưa ra viễn cảnh pin lithium–CO₂ có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện khí quyển giàu CO₂ như trên sao Hỏa – nơi bầu khí quyển chứa tới 95% CO₂. Điều này mở ra triển vọng ứng dụng rộng lớn cho pin trong các sứ mệnh khám phá không gian tương lai.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Science và nhận được sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học cũng như ngành công nghiệp năng lượng. Với khả năng kết hợp lưu trữ năng lượng sạch và hấp thụ khí nhà kính, pin lithium–CO₂ sử dụng CPM hứa hẹn trở thành một trong những giải pháp then chốt cho tương lai bền vững của hành tinh. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào tối ưu hóa tương tác giữa chất xúc tác, điện cực và dung dịch điện ly, nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả và độ bền của pin khi sản xuất quy mô lớn.

Nhóm nghiên cứu tin rằng pin lithium–CO₂ không chỉ góp phần cải thiện hiệu quả lưu trữ năng lượng mà còn hỗ trợ tích cực trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu toàn cầu, đồng thời mở rộng cánh cửa cho các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và môi trường.

Nguồn: Techxplore.com