Giải pháp dưới 0 độ
Thời tiết mùa đông từ lâu là khắc tinh của các thiết bị dùng pin. Điện thoại thông minh bất ngờ tắt nguồn trong những chuyến trượt tuyết, máy bay không người lái rơi từ bầu trời lạnh giá, còn người lái xe điện chứng kiến tầm hoạt động ước tính giảm mạnh khi nhiệt độ hạ xuống. Những sự cố này bắt nguồn từ các giới hạn căn bản trong hóa học pin lithium-ion thông thường: nhiệt độ thấp làm chậm chuyển động ion thiết yếu cho việc cung cấp điện và khiến dung lượng khả dụng giảm một nửa hoặc hơn trong điều kiện khắc nghiệt. Với cư dân ở các vùng khí hậu lạnh phía bắc, việc thiết bị ngừng hoạt động đúng lúc cần đến nhất đã trở thành nỗi phiền toái theo mùa mà mọi người đành chấp nhận. Giờ đây, một nhóm nhà nghiên cứu Trung Quốc tuyên bố đã vượt qua những hạn chế này bằng cách thiết kế lại hoàn toàn chất điện phân trong pin, môi trường hóa học then chốt vận chuyển ion giữa các điện cực và đóng vai trò như đường dẫn truyền năng lượng bên trong cell pin.
Nội dung
Trong nghiên cứu công bố tháng trước trên tạp chí danh tiếng Nature, các nhà khoa học từ Đại học Nam Khai và Viện Nguồn điện Không gian Thượng Hải mô tả một chất điện phân mới dựa trên hydrofluorocarbon, cho phép pin kim loại lithium đạt mật độ năng lượng vượt 700 watt-giờ mỗi kilôgam ở nhiệt độ phòng, đồng thời duy trì hoạt động ổn định ở nhiệt độ thấp tới âm 94 độ Fahrenheit. Để so sánh, pin lithium-ion thông thường thường cung cấp khoảng 136 watt-giờ mỗi kilôgam ở nhiệt độ phòng, còn hiệu suất giảm xuống dưới 68 watt-giờ mỗi kilôgam trong điều kiện dưới 0 độ. Bước tiến này có thể giúp dung lượng lưu trữ năng lượng tăng gấp đôi hoặc gấp ba với cùng trọng lượng pin, giải quyết hai trở ngại dai dẳng nhất của công nghệ lưu trữ năng lượng: mật độ năng lượng và độ tin cậy trong thời tiết lạnh. Nghiên cứu thách thức những giả định tồn tại hàng chục năm về hóa học chất điện phân, đồng thời đưa ra một giải pháp có thể mở rộng quy mô cho công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo.
Tư duy lại về sự phối trí phân tử
Trọng tâm của mọi loại pin là chất điện phân, chất cho phép các hạt mang điện di chuyển giữa điện cực dương và âm. Chất điện phân trong pin lithium truyền thống dựa vào dung môi carbonate chứa các nguyên tử oxy, có khả năng hòa tan muối lithium nhờ tương tác ion-lưỡng cực mạnh. Dù hóa học phối trí với oxy đã thống trị ngành trong nhiều thập kỷ nhờ giúp ổn định các muối đã hòa tan, nó cũng tạo ra những đánh đổi đáng kể, hạn chế hiệu suất tổng thể. Tương tác mạnh giữa lithium và oxy cản trở sự truyền điện tích tại bề mặt tiếp xúc điện cực và hạn chế hiệu suất trong môi trường lạnh, tạo thành nút thắt đối với cả mật độ năng lượng lẫn khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp. Các vật liệu này cũng cần lượng lớn để hoạt động hiệu quả, làm tăng trọng lượng và kích thước, trong khi vẫn truyền điện tích kém dưới áp lực nhiệt.
Nhóm nghiên cứu do Jun Chen và Qing Zhao tại Đại học Nam Khai cùng Yong Li tại Viện Nguồn điện Không gian Thượng Hải dẫn đầu đã thách thức giả định lâu nay rằng các phối tử gốc oxy là không thể thiếu để tạo ra chất điện phân hiệu quả. Họ thiết kế và tổng hợp các phân tử dung môi hydrocarbon fluor hóa mới, cụ thể sử dụng 1,3-difluoropropane làm thành phần cốt lõi. Hợp chất này tạo ra một hệ phối trí fluor, thay thế tương tác lithium-oxy truyền thống bằng các liên kết lithium-fluor yếu hơn. Sự phối trí yếu hơn giúp ion lưu thông trơn tru hơn và giảm rào cản hòa tan, cho phép truyền điện tích nhanh hơn ngay cả dưới áp lực nhiệt khắc nghiệt, đồng thời giúp hệ thống hoạt động với lượng vật liệu điện phân ít hơn.
Thông số kỹ thuật được nêu trong công trình đăng trên Nature cho thấy quy mô của bước chuyển hóa học này. Chất điện phân hydrofluorocarbon có độ nhớt đặc biệt thấp, ở mức 0,95 centipoise, độ ổn định oxy hóa cao trên 4,9 volt và duy trì độ dẫn ion 0,29 millisiemens mỗi centimet ở âm 70 độ Celsius. Nhờ những đặc tính này, các cell pin túi kim loại lithium đạt hiệu suất Coulomb, thước đo hiệu quả truyền điện tích trong quá trình sạc-xả, ở mức 99,7% tại nhiệt độ phòng và 98% ở âm 70 độ Celsius. Các phối tử gốc fluor có cản trở không gian được thiết kế đặc biệt cho phép hòa tan muối ở nồng độ trên 2 mol mỗi lít, thách thức những giả định trước đây về khả năng của hydrocarbon fluor hóa.
Nỗi lo về tầm hoạt động gặp đối thủ
Những hệ quả thiết thực đối với giao thông điện là rất đáng kể và dễ nhận thấy, đặc biệt với bất kỳ ai từng ngần ngại mua xe điện vì lo ngại đi đường dài hoặc hiệu suất vào mùa đông. Pin xe điện hiện nay thường cho phép xe đi được từ 310 đến 370 dặm mỗi lần sạc trong điều kiện tối ưu, nhưng quãng đường này giảm đáng kể khi trời lạnh, lúc hệ thống sưởi tiêu thụ điện và các phản ứng hóa học chậm lại. Theo Li Yong, nhà nghiên cứu tại Viện Nguồn điện Không gian Thượng Hải, công nghệ mới có thể kéo dài đáng kể tầm hoạt động đồng thời duy trì hiệu suất trong điều kiện đóng băng. Trong cuộc phỏng vấn với Science and Technology Daily, một tờ báo chính thức của bộ, Li giải thích tiềm năng chuyển đổi của đột phá này đối với các ứng dụng tiêu dùng.
"Với dung lượng lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ phòng tăng gấp hai đến ba lần ở những pin có cùng khối lượng, tầm hoạt động của xe điện có thể tăng từ 500-600 km lên hơn 1.000 km," Li cho biết. Mức tăng này cho phép xe đi được khoảng 620 dặm chỉ với một lần sạc, tương đương quãng đường giữa Denver và Dallas, qua đó xóa bỏ hiệu quả nỗi lo hết pin khi đi đường dài và di chuyển giữa các thành phố.
Ngoài khả năng đi được quãng đường xa, công nghệ này còn giải quyết tình trạng suy giảm hiệu suất theo mùa hiện đang cản trở việc phổ biến xe điện ở các vùng khí hậu lạnh. Pin thông thường mất đáng kể dung lượng trong mùa đông, đôi khi chỉ còn duy trì được chưa đến một nửa tầm hoạt động danh định ở nhiệt độ đóng băng, đồng thời cần hệ thống sưởi tiêu thụ nhiều năng lượng để duy trì hoạt động. Chất điện phân hydrofluorocarbon duy trì mức khoảng 400 watt-giờ mỗi kilôgam ở âm 58 độ Fahrenheit, giúp xe vẫn sử dụng được trong mùa đông khắc nghiệt mà không cần bộ làm ấm pin hay hệ thống quản lý nhiệt tiêu thụ thêm điện. Hiệu suất sạc 99,7% được chứng minh trong điều kiện phòng thí nghiệm cho thấy những viên pin này thực sự giữ điện tốt hơn qua các chu kỳ sử dụng kéo dài.
Ứng dụng vượt ra ngoài đường bộ
Dù ứng dụng trong ngành ô tô thu hút sự chú ý trước mắt của công chúng, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh công nghệ này còn có thể được ứng dụng rộng rãi ngoài xe chở khách, trong các lĩnh vực công nghiệp và khoa học chuyên biệt. Viện Nguồn điện Không gian Thượng Hải trực thuộc Tập đoàn Khoa học và Công nghệ Hàng không Vũ trụ Trung Quốc, cho thấy công nghệ có thể được ứng dụng ngay cho tàu vũ trụ, vệ tinh và tàu thăm dò hành tinh hoạt động trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt, nơi nhiệt độ có thể dao động từ nóng dữ dội đến lạnh đông lạnh chỉ trong một quỹ đạo hoặc quá trình vận hành trên bề mặt. Pin mật độ năng lượng cao sử dụng chất điện phân này có thể kéo dài thời gian hoạt động và tăng tải trọng của máy bay không người lái giám sát ở Bắc Cực, giúp các hệ thống robot thông minh hoạt động suốt đêm vùng cực mà không cần bảo vệ nhiệt, đồng thời cung cấp năng lượng cho thiết bị khoa học tại các trạm nghiên cứu Nam Cực, nơi pin thông thường nhanh chóng hỏng.
Thiết bị điện tử tiêu dùng cũng có thể hưởng lợi tương tự từ khả năng hoạt động trong thời tiết lạnh. Điện thoại thông minh và thiết bị di động hiện nay khó duy trì thời lượng pin khi trời lạnh, đây là lời phàn nàn phổ biến của người dùng ở các vùng khí hậu lạnh và những người chơi thể thao mùa đông, khi thiết bị tắt bất ngờ dù vẫn báo còn pin. Hóa học gốc fluor có thể giúp thiết bị duy trì đầy đủ chức năng ở nhiệt độ khiến pin thông thường ngừng hoạt động, qua đó kéo dài thời gian vận hành của đèn hiệu khẩn cấp, thiết bị GPS và thiết bị liên lạc trong môi trường hoang dã. Các sứ mệnh thám hiểm không gian, vốn phải đối mặt với những biến động nhiệt độ từ nóng cực độ đến lạnh đông lạnh, có thể sử dụng các cell pin này cho hoạt động trên bề mặt Mặt Trăng hoặc sao Hỏa, nơi ổn định nhiệt là yếu tố thiết yếu để sứ mệnh thành công, còn hệ thống quản lý nhiệt thông thường làm tăng trọng lượng đến mức không thể chấp nhận.
Tính linh hoạt của công nghệ bắt nguồn từ việc thiết kế lại các đặc tính vật lý cơ bản của chất điện phân. Nhờ giảm độ nhớt của dung môi và cải thiện khả năng thấm ướt, hệ thống cần ít vật liệu điện phân hơn, giúp giảm trọng lượng pin đồng thời cải thiện hiệu suất trong toàn bộ dải nhiệt độ. Sự kết hợp giữa năng lượng riêng cao và khả năng hoạt động trong dải nhiệt rộng vẫn nằm ngoài tầm với của các hệ thống pin thương mại hiện nay, khiến phương pháp hydrofluorocarbon đặc biệt có giá trị với ngành hàng không vũ trụ, nơi từng gram đều quan trọng và điều kiện nhiệt độ thay đổi mạnh giữa lúc tiếp xúc với ánh nắng và khi ở trong bóng tối.
Từ phòng thí nghiệm đến dây chuyền lắp ráp
Dù kết quả đầy hứa hẹn đã được công bố trên tạp chí khoa học có bình duyệt, vẫn còn những thách thức kỹ thuật đáng kể trước khi loại pin này xuất hiện trong các sản phẩm thương mại dành cho người tiêu dùng. Nhóm nghiên cứu thừa nhận cần tiếp tục phát triển và tối ưu hóa để cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao. Dù chất điện phân hoạt động tốt trong điều kiện lạnh cực độ, khả năng duy trì hiệu suất và an toàn trên 212 độ Fahrenheit cần được cải thiện để có thể vận hành thực sự trong mọi khí hậu, từ môi trường sa mạc nóng đến các tình huống sạc nhanh sinh ra lượng nhiệt đáng kể. Nâng điểm sôi của các hợp chất hydrofluorocarbon mà không làm mất đi ưu thế ở nhiệt độ thấp là rào cản kỹ thuật tiếp theo mà các nhà nghiên cứu cần vượt qua.
Lộ trình thương mại hóa đầy tham vọng so với chu kỳ phát triển pin thông thường. Các nguồn tin trong ngành cho biết các nhà sản xuất Trung Quốc, trong đó có Viện Nguồn điện Không gian Thượng Hải, đặt mục tiêu đạt năng lực sản xuất hàng loạt vào cuối năm 2026. Đây là lịch trình đầy tham vọng, phản ánh chiến lược rộng hơn của Trung Quốc nhằm duy trì vị thế thống trị trong sản xuất pin toàn cầu và công nghệ năng lượng sạch. Hiện nước này kiểm soát khoảng 60% năng lực sản xuất lithium-ion toàn cầu và tiếp tục đầu tư mạnh vào nghiên cứu cơ bản để nắm bắt các công nghệ thế hệ mới. Phát triển này bổ trợ cho những sáng tạo gần đây khác của Trung Quốc, trong đó có pin nước sử dụng nước muối đậu phụ, đạt 120.000 chu kỳ sạc cho các ứng dụng lưu trữ điện lưới cố định, cho thấy cách tiếp cận toàn diện nhằm thúc đẩy công nghệ lưu trữ năng lượng trên nhiều loại hóa học và ứng dụng.
Sự hợp tác giữa các cơ sở nghiên cứu và đối tác công nghiệp dường như đóng vai trò trung tâm trong chiến lược thương mại hóa. Chen Jun, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và phó hiệu trưởng Đại học Nam Khai, nhấn mạnh tầm quan trọng của ứng dụng thực tiễn thay vì chỉ dừng lại ở khám phá lý thuyết trong những phát biểu gần đây về quá trình chuyển giao công nghệ.
"Chúng ta không thể mãi ở trong tháp ngà. Mục tiêu của chúng tôi là giải quyết những thách thức thực sự của ngành công nghiệp," Chen nói. Nhóm của ông đã thiết lập quan hệ hợp tác với các nhà sản xuất ô tô để chuyển kết quả trong phòng thí nghiệm thành các bộ phận hệ truyền động có thể chịu được điều kiện đường sá thực tế.
Yan Zhenhua, giáo sư tại Trường Hóa học thuộc Đại học Nam Khai, cho biết công nghệ này giải quyết cả những lo ngại về an toàn và chi phí vốn từ lâu gắn với pin kim loại lithium. Chất điện phân composite do nhóm tự phát triển cải thiện độ an toàn nội tại và đáng kể nâng cao tuổi thọ chu kỳ, qua đó có thể khắc phục tiếng xấu về rủi ro cao từng hạn chế việc thương mại hóa pin kim loại lithium, bất chấp những ưu thế lý thuyết so với cấu trúc pin lithium-ion hiện nay.
Cuộc đua pin toàn cầu
Đột phá này xuất hiện trong bối cảnh cạnh tranh quốc tế nhằm giành ưu thế công nghệ pin ngày càng gay gắt, cuộc đua nhiều khả năng sẽ quyết định bên thắng cuộc về kinh tế trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Trong khi một số quốc gia tập trung vào rào cản pháp lý và hạn chế thương mại để bảo vệ năng lực sản xuất trong nước, Trung Quốc chú trọng nghiên cứu cơ bản và thương mại hóa nhanh thông qua các phòng thí nghiệm được nhà nước hỗ trợ cùng quan hệ hợp tác chặt chẽ giữa đại học và doanh nghiệp. Chất điện phân hydrofluorocarbon là bước rẽ căn bản khỏi hóa học đã được xác lập, có thể giúp các nhà sản xuất Trung Quốc vượt lên công nghệ thế hệ hiện tại thay vì chỉ bắt kịp năng lực sẵn có bằng những cải tiến nhỏ. Việc Viện Nguồn điện Không gian Thượng Hải, một cơ sở nghiên cứu hàng không vũ trụ lớn được nhà nước hỗ trợ, tham gia cho thấy chính phủ hậu thuẫn đáng kể cho việc mở rộng quy mô những đổi mới này.
Đổi mới này cho thấy khoảng cách dai dẳng giữa công bố học thuật và sản xuất hàng loạt trong lĩnh vực khoa học vật liệu tiên tiến. Các nhà nghiên cứu pin đều thừa nhận rằng từ một bài báo trên Nature đến dây chuyền lắp ráp tại nhà máy là nhiều năm đối mặt với thách thức kỹ thuật, khó khăn khi mở rộng quy mô, xây dựng chuỗi cung ứng và tối ưu chi phí. Tuy nhiên, sự tham gia của các đơn vị hàng không vũ trụ và ô tô được nhà nước hỗ trợ cho thấy sẽ có nguồn lực đáng kể được dành để vượt qua những rào cản này, trong đó có việc xây dựng dây chuyền sản xuất thí điểm và cơ sở thử nghiệm. Nếu thành công, công nghệ này có thể làm thay đổi cục diện cạnh tranh xe điện, đặc biệt tại các thị trường có mùa đông khắc nghiệt, nơi công nghệ pin hiện nay gặp khó khăn và người tiêu dùng tự nhiên dè dặt khi lựa chọn xe điện.
Với người tiêu dùng đang cân nhắc chuyển sang xe điện, bước phát triển này cho thấy chờ đến năm 2027 hoặc 2028 để mua thế hệ xe mới có thể mang lại những cải thiện thực sự mang tính đột phá về tầm hoạt động và độ tin cậy, thay vì chỉ là những bước tiến nhỏ. Sự kết hợp giữa khả năng đi 600 dặm và khả năng chịu lạnh giải quyết hai lý do phổ biến nhất khiến người mua phổ thông còn ngần ngại chọn xe điện. Như Lu Tianjun, tổng giám đốc Công nghệ Pin Năng lượng Mới Ô tô Trung Quốc, nhận xét về những phát triển pin tiên tiến liên quan trong hệ sinh thái Trung Quốc, hiệu suất này cao hơn khoảng 50% so với các công nghệ hiện có trên thị trường, đưa những viên pin này lên hàng đầu cả trong nước lẫn quốc tế, đồng thời có khả năng giúp xe điện thực sự vượt trội hơn xe động cơ đốt trong khi đi đường dài.
Tóm tắt
- Các nhà nghiên cứu Trung Quốc phát triển chất điện phân gốc hydrofluorocarbon, cho phép pin kim loại lithium đạt mật độ năng lượng trên 700 watt-giờ mỗi kilôgam, cao hơn gấp đôi pin lithium-ion thông thường.
- Công nghệ duy trì hoạt động ở nhiệt độ thấp tới âm 94 độ Fahrenheit, đồng thời giữ mức khoảng 400 watt-giờ mỗi kilôgam ở âm 58 độ Fahrenheit.
- Xe điện sử dụng loại pin này có thể đạt tầm hoạt động hơn 620 dặm mỗi lần sạc, so với mức trung bình hiện nay từ 310 đến 370 dặm.
- Đột phá này thay thế hóa học phối trí oxy truyền thống bằng các phối tử gốc fluor, cụ thể sử dụng 1,3-difluoropropane làm thành phần dung môi cốt lõi.
- Các nhóm nghiên cứu từ Đại học Nam Khai và Viện Nguồn điện Không gian Thượng Hải công bố kết quả trên tạp chí Nature ngày 25 tháng 2 năm 2026.
- Độ ổn định ở nhiệt độ cao vẫn là hạn chế cần nghiên cứu thêm trước khi công nghệ có thể hoạt động thực sự trong mọi khí hậu.
- Mục tiêu sản xuất hàng loạt được đặt vào cuối năm 2026, với ứng dụng trải rộng từ xe điện đến hàng không vũ trụ, máy bay không người lái, robot và thám hiểm không gian sâu.
