Giải Nobel Hóa học 2019: Gọi tên ngựa thồ LIB

Ngay sau khi biết tin, bất giác tôi dừng một giây để nhìn vào chiếc điện thoại di động mà chính tôi dùng để xem thông báo của Ủy ban Nobel. Trong chiếc điện thoại đấy có pin lithium-ion (gọi tắt là LIB, hoặc pin Li), nhân vật chính được vinh danh lần này.

Hẳn nhiên, pin Li không chỉ dùng trong điện thoại, mà còn trong máy tính xách tay, xe máy điện, ôtô điện và nhiều trang thiết bị khác nữa. Nếu không có pin Li thì không thể có các thiết bị di động và không dây mà hầu hết chúng ta đều đang sử dụng hằng ngày.

Vì thế, có thể nói, sự ra đời pin Li đã ảnh hưởng to lớn đến công nghệ và đời sống, trực tiếp thúc đẩy sự ra đời của cuộc cách mạng không dây như chúng ta đang thấy.

Thế giới này vận hành nhờ năng lượng. Song song với việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thì lưu trữ năng lượng sao cho hiệu quả là một trong những thách thức lớn nhất của chúng ta. Pin Li là bước tiến đột phá trong việc tích trữ năng lượng, vì thế xứng đáng được vinh danh trong giải thưởng khoa học được coi là danh giá nhất.

Từ một cuộc khủng hoảng

Sự ra đời của pin Li có nguồn gốc từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ đầu thập niên 1970. Cụ thể, tháng 10-1973, Hiệp hội Các nước xuất khẩu dầu, vốn chủ yếu là các nước Ả Rập, cấm xuất khẩu sang các nước ủng hộ Israel trong cuộc chiến Yom Kippur. Giá dầu thế giới tăng 400%, gây ra cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu.

Các nhà khoa học khi đó bị đặt trong thế đối mặt với một bài toán thực tế: tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thay thế dầu mỏ, để mở đường cho một nền kinh tế mới không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, và tránh các cuộc khủng hoảng tương tự trong tương lai.

Đây là một hành trình dài hơi vì ai cũng biết nhiên liệu hóa thạch trước sau gì cũng hết. Chưa kể với sự phát triển của công nghiệp, các nhà máy và đặc biệt là số lượng xe hơi tăng vọt, việc sử dụng than và xăng dầu đã gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do đó cần phải có các nguồn năng lượng thay thế.

Đó là lý do khiến chính các công ty khai thác và chế biến dầu mỏ lại đi tiên phong trong nghiên cứu về năng lượng thay thế dầu mỏ. Giải Nobel hóa học năm nay, trên thực tế, bắt nguồn từ nghiên cứu của Whittingham tại phòng thí nghiệm của Công ty dầu mỏ Exxon đầu những năm 1970.

Ngay trước khi nổ ra cuộc khủng hoảng năng lượng 1973, Exxon tìm kiếm những nhà khoa học xuất sắc để nghiên cứu về năng lượng thay thế dầu mỏ. Whittingham gia nhập Exxon trong bối cảnh đó. Lúc bấy giờ, ông chuyên nghiên cứu vật liệu siêu dẫn, tập trung vào các vật liệu xen lớp có khả năng đan cài các ion dẫn điện. Nhờ việc đan cài các ion này mà tính chất của vật liệu thay đổi. Tuy nhiên khi đó, ý tưởng phát triển một loại pin mới vẫn còn xa lạ với chính Whittingham.

Hành trình nghiên cứu khoa học thường có những ngã rẽ thú vị. Có nhiều phát minh lớn đến từ sự tình cờ, nằm ngoài dự kiến ban đầu của chính nhà khoa học, mà sự ra đời của pin Li là một ví dụ.

Trong quá trình nghiên cứu sự thay đổi độ dẫn điện của vật liệu TaS2 (tantalum disulphide) khi đan cài các ion kim loại kiềm, cụ thể là Li+, vào giữa các lớp vật liệu, Whittingham đã khám phá ra rằng vật liệu mà ông nghiên cứu không chỉ có khả năng lưu trữ năng lượng rất tốt mà còn có thể tạo ra một hiệu điện thế cao lên đến 2V.

Pin sạc nhiều lần Li đầu tiên của Whitingham. Âm cực làm bằng kim loại Li. Dương cực là TiS2 xen lớp, tại đó, các ion Li+ đan cài vào giữa các lớp. Khi pin hoạt động, ion Li+ khuếch tán từ cực âm sang cực dương. Khi pin được nạp, ion Li+ sẽ chuyển ngược lại. Nhược điểm của pin này là Li kim loại phản ứng với chất điện giải, gây mất an toàn và phá hỏng pin.

Đây là những tính chất ưu việt hơn hẳn so với các vật liệu pin đương thời. Whittingham biết rằng mình đã tìm được một thứ thực sự có ý nghĩa, và chuyển hướng sang nghiên cứu về pin. Sau đó, Whittingham thay TaS2 bằng TiS2 để giảm khối lượng pin. Chương đầu trong bản hòa tấu về pin Li chính thức ra đời.

Bên trong pin Li

Để hiểu được những gì diễn ra trong pin Li, ta cần nhớ lại những kiến thức thời trung học cơ sở. Trước hết, đó là khái niệm về dòng điện: dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích.

Như vậy, để tạo ra dòng điện, chúng ta cần các hạt mang điện tích và làm cho chúng chuyển động có hướng dưới tác động của một điện trường. Các hạt mang điện tích phổ biến để tạo ra dòng điện là các điện tử, tức các ion âm hoặc ion dương. Trong trường hợp pin Li, các hạt mang điện tích này là các điện tử và ion Li+.

Để tạo ra dòng điện, các nhà khoa học về pin cần tách các ion dương và ion âm hoặc điện tử ra và để ở hai nơi khác nhau, gọi là âm cực (anode) và dương cực (cathode). Sau đó, họ nối âm cực và dương cực bằng một sợi dây để tạo thành mạch điện kín. Thế là các điện tử và các ion tự tìm cách gặp nhau nếu giữa hai đầu dây có một hiệu điện thế, tạo thành dòng điện.

Một cách nôm na, các ion dương và ion âm như trai đến tuổi và gái đến thì, luôn nhớ nhung và muốn tìm gặp nhau. Nếu không có gì cách trở, chúng sẽ lập tức gặp nhau để “hàn huyên tâm sự”. Nhưng khi có người chủ ý chia uyên rẽ thúy, bắt mỗi “người” ở một nơi, thì chúng phải tìm cách gặp nhau. Vì thế mà “xăm xăm băng lối vườn khuya một mình”, kể cũng không có gì là lạ.

Dòng điện trong pin được tạo ra như thế. Cường độ dòng điện, tất nhiên, tỉ lệ thuận với hiệu điện thế, và tỉ lệ nghịch với điện trở, theo đúng định luật Ohm mà tất cả chúng ta đều đã học.

Đến đây, câu hỏi đặt ra: Vì sao lại là Li mà không phải là một nguyên tố nào khác?

Nguyên tố Li nằm ở ô số 3 trong bảng tuần hoàn, thuộc nhóm kim loại kiềm, luôn có xu hướng cho đi một điện tử để trở thành ion Li+ bền vững hơn. Nguồn: Nobelprize.org

Do Li là nguyên tố kim loại thuộc nhóm 1 của bảng tuần hoàn, chỉ có một điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng, nên luôn có xu hướng cho đi điện tử để trở thành ion Li+ bền vững hơn. Chỉ cần có “người nhận” là Li kim loại sẽ hào phóng cho điện tử ngay mà không đòi hỏi điều kiện gì khắt khe. Bên cho và bên nhận dù ở xa xôi cách trở cũng không phiền hà, miễn là có một “cây cầu” dây dẫn bắc qua.

Ngoài ra, Li là nguyên tố nhẹ nhất, kích thước nguyên tử nhỏ nhất, nên không chỉ giúp tạo ra pin có trọng lượng nhẹ, mà còn có mật độ năng lượng lớn, do các ion Li+ có thể dễ dàng đan cài với mật độ lớn vào vật liệu điện cực mà không làm thay đổi cấu trúc của vật liệu.

Cho đến nay, sau gần 30 năm kể từ ngày được thương mại hóa, chúng ta vẫn chưa tìm được loại pin nào tốt hơn pin Li.

Tam tấu tuyệt vời

Với pin Li khi được Whittingham phát minh, âm cực được làm bằng kim loại Li, còn dương cực làm bằng vật liệu TiS2 có đan cài các ion Li+. Pin hoạt động được nhưng chưa hiệu quả và an toàn. Đúng lúc đó, giá dầu mỏ thế giới giảm, Exxon bỏ cuộc. Tuy hãng dầu khí dừng dự án nhưng các nhà khoa học và các công ty khác thì không. Goodenough và Yoshino đã đón nhận cây gậy tiếp sức để viết tiếp câu chuyện pin Li mà Whittingham đã khởi đầu.

Pin Li của Goodenough. Theo đó, dương cực được làm bằng LixCoO2, tạo ra hiệu điện thế lên đến 4V, mạnh hơn rất nhiều so với pin Li của Whitingham.

Năm 1976, Goodenough chuyển từ MIT sang Oxford làm việc với vai trò giáo sư trưởng phòng thí nghiệm hóa vô cơ. Ông biết phát minh đột phá của Whittingham nên đã chỉ đạo phòng thí nghiệm nghiên cứu một cách có hệ thống vật liệu chế tạo dương cực để cải thiện chất lượng pin Li. 

Ông phát hiện ra rằng khi thay TiS2 bằng CoO2 (oxit cobalt) làm điện cực thì pin được cải thiện đột phá. Điện thế pin Li do ông tạo ra đạt đến 4V thay vì 2V như pin của Whittingham. Năm 1980, ông công bố kết quả này.

Trong khoảng thời gian đó, khi các công ty Âu - Mỹ lơ là và cắt giảm nghiên cứu về pin thì ở phía bên kia địa cầu, do sự bùng nổ của ngành công nghiệp điện tử, các công ty Nhật Bản lại khao khát hơn bao giờ hết các loại pin nhẹ và hiệu quả dùng cho các thiết bị điện tử của họ, vốn đang làm mưa làm gió trên thị trường. 

Một trong những nỗ lực đó đã tạo ra loại pin Li an toàn, hiệu quả đủ để thương mại hóa, và qua đó chính thức mở ra cánh cửa để loại pin này bước vào đời sống hằng ngày.

Người tạo ra bước đột phá là Yoshino, vào năm 1985, lúc ông đang làm nghiên cứu tại Công ty Asahi Kasei. Ông đã khắc phục được điểm yếu chết người, theo nghĩa đen, pin Li của Goodenough và Whittingham. 

Li kim loại là nguyên tố hoạt động hóa học rất mạnh, nên ưu điểm luôn muốn cho đi điện tử cũng là nhược điểm: hoạt tính quá mạnh khiến chỉ cần Li kim loại tiếp xúc với không khí là phản ứng đã xảy ra, có thể gây cháy nổ.

Do đó, một trong những vấn đề cần giải quyết về mặt kỹ thuật là loại bỏ Li kim loại ra khỏi cấu trúc pin, nhằm đảm bảo an toàn khi sử dụng. Yoshino đã làm điều này bằng việc thay thế âm cực Li kim loại bằng vật liệu cốc (một loại nhựa đường) có cấu trúc xen lớp, có thể đan cài ion Li+. 

Nhờ đó, pin không chỉ an toàn hơn, mà còn có thể đảo ngược sự khuếch tán ion Li+ từ cực này sang cực kia dưới tác dụng của dòng điện, giúp pin có thể sạc đi sạc lại hàng trăm lần.

Pin Li của Yoshino. Âm cực bằng kim loại Li trong pin của Goodenough và Whittingham được thay bởi cốc xen lớp (một loại nhựa đường) có khả năng đan cài các ion Li+. Pin giờ an toàn hơn và có thể sạc nhiều lần.

Vượt qua các thử nghiệm về an toàn, đến năm 1991, pin Li chính thức được Công ty Sony sản xuất đại trà, thực sự mở ra một kỷ nguyên hoàn toàn mới với các thiết bị công nghệ thường nhật. ■