Pin lithium-ion: Sự tôn vinh muộn màng?

Ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học 2019

Ngày 9/10, giải Nobel Hóa học năm 2019 đã được trao cho 3 nhà khoa học là John B.Goodenough (người Mỹ), M.Stanley Wittingham (người Anh) và Akira Yoshino (người Nhật Bản) với các công trình nghiên cứu, phát triển pin lithium-ion. Đây được xem là “người hùng” thầm lặng của kỷ nguyên di động.

Khi các nhà nghiên cứu bắt đầu công trình này vào hơn 4 thập kỷ trước, thế giới đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng năng lượng và môi trường, vốn đã có mầm mống từ trước đó. Vào buổi bình minh của kỷ nguyên điện cuối thể kỷ 19, pin là thứ cung cấp năng lượng phổ biến dành cho các loại ô tô đời đầu và các thiết bị khác. Tuy nhiên, chúng nặng và không hiệu quả nên người ta đã thôi không nghiên cứu thêm để cải thiện chúng. Sau đó, dầu mỏ nhanh chóng chiếm lĩnh và trở thành nguồn năng lượng chính cung cấp cho ô tô và các thiết bị khác.

Nhưng đến thập niên 1960, những nguy cơ từ việc phụ thuộc quá nhiều vào dầu mỏ trở nên rõ ràng. Ở Mỹ, tình trạng thiếu hụt dầu mỏ cùng với bầu không khí đầy khói bụi ở các thành phố và các hiểm họa môi trường khác cho thấy cần phải nghiên cứu và nhanh chóng tìm ra cách thức thích hợp để lưu trữ và sử dụng năng lượng bền vững hơn.

Vì thế, các nghiên cứu về pin đã trở lại. Cụ thể, các nhà khoa học đã tìm kiếm một thứ có thể tận dụng được lithium, kim loại nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn và một vật liệu đặc biệt có xu hướng hình thành các ion bằng cách từ bỏ các electron. “Tuy nhiên, để sử dụng lithium trong pin, chúng ta thực sự phải chế ngự được phản ứng của nó”, Olof Ramstrom, Giáo sư Hóa học tại Đại học Massachusetts và là thành viên Ủy ban Giải thưởng Nobel, cho biết. “Và đó chính xác là những gì mà ba nhà khoa học đoạt giải đã làm được”.

Về cơ bản, pin lưu trữ và giải phóng năng lượng thông qua một loạt các phản ứng hóa học xảy ra ở hai điện cực, cực âm tích điện dương và cực dương tích điện âm. Các ion dương di chuyển từ cực dương sang cực âm qua một chất điện phân giữa hai chất, từ đó thúc đẩy các electron di chuyển theo cách khác thông qua một mạch được thiết lập để cung cấp năng lượng cho một thiết bị được kết nối. Quá trình này được đảo ngược để làm cho pin có thể sạc lại.

“Nhìn thì có thể thấy tương đối dễ để tạo ra một cục pin, tuy nhiên không hoàn toàn như vậy”, ông Ramstrom nói. “Thực sự rất khó để sản xuất, thiết kế và phát triển pin hoạt động tốt và hiệu quả”.

Thế nhưng, Wittingham, Goodenough và Yoshino đã tìm ra cách.

Khi đang làm việc cho công ty dầu mỏ Exxon vào thập niên 1970, Wittingham, hiện đang giảng dạy tại Đại học Bang New York ở Binghamton, đã đề xuất ý tưởng về pin lithium có thể sạc lại và phát triển một sản phẩm mẫu sử dụng cực dương kim loại lithium và cực âm titan đisunfua. Pin có năng lượng mạnh và có thể đảo ngược sự khuếch tán của các ion lithium vào cực âm, khiến cho pin có thể sạc lại được. Tuy nhiên, chi phí sản xuất cao và những lo ngại về sự an toàn khiến công nghệ này không được thương mại hóa.

Vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980, Goodenough đã phát triển loại pin có thể xạc lại được với các cực âm được làm từ các oxit xếp lớp có khả năng lưu trữ các ion lithium. Điều này đã cải thiện đáng kể năng lượng của pin.

Và tới những năm 1980, Yoshino đã thực hiện những thay đổi đáng kể về chất liệu bảo đảm an toàn và giúp loại pin này được sản xuất thương mại. Thiết kế của ông đã đi tiên phong trong việc sử dụng vật liệu cực dương giàu carbon, sử dụng các ion lithium. “Tôi bắt đầu công việc vào năm 1981 và phát minh ra pin lithium-ion vào năm 1985”, ông Yoshino nói.

“Giải thưởng này đến quá muộn”, Saiful Islan, Giáo sư Hóa học tại Đại học Bath (Anh), nói. “Loại pin này giúp thúc đẩy cuộc cách mạng di động và hiện có vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng xe điện, giúp giảm khí thải và cải thiện chất lượng không khí. Trên thực tế, hầu hết mọi người xem tin tức về giải Nobel này trên một thiết bị chạy bằng pin lithium-ion”.

Nhưng ông cũng nói thêm: “Theo quan điểm của tôi, giải thưởng này … quá hạn đã lâu nhưng thật tuyệt khi biết rằng lĩnh vực hóa học vật liệu quan trọng này đã được công nhận”.

Và như phát biểu của Hamish Johnston, Tổng Biên tập Tạp chí Physics World, 5 ngày trước lễ công bố giải Nobel 2019, rằng “các giải Nobel vinh danh những nghiên cứu quan trọng đã được thực hiện rất nhiều năm trước hoặc công trình mà người ta đơn giản là không nhận ra rằng chúng vô cùng quan trọng”, đã thể hiện ý nghĩa của các giải thưởng năm nay.

Vũ Phong