KRIS PUPEK, một nhà hóa học công nghiệp tại Phòng Thí Nghiệm Quốc gia Argonne (Argonne National Laboratory) ở Lemont, gần Chicago, khua một ống bột trắng trong không khí một cách dứt khoát. Chỉ một nhúm bột là đủ cho các đồng nghiệp phân tích của ông để xem liệu nó có tiềm năng trở thành vật liệu thần diệu tiếp theo trong nghiên cứu ắc quy hay không. Nhưng Tiến sĩ Pupek không tính đến lượng ít ỏi. Công việc của ông là xem liệu tiềm năng có thể biến thành thực tiễn hay không – nói cách khác, liệu cái gì đó có các tính chất thích hợp có thể được sản xuất một cách rẻ với số lượng lớn hay không. Nếu có thể, nó được chuyển sang công nghiệp để kiểm thử. Hy vọng là chí ít một trong các ống sẽ khởi động một cuộc cách mạng.

Ắc quy là công nghệ vô cùng quan trọng. Cuộc sống hiện đại là không thể mà không có chúng. Nhưng nhiều kỹ sư thấy chúng gây thất vọng và cảm thấy rằng chúng vẫn có thể được cải thiện tốt hơn. Sản xuất đúng ắc quy với giá đúng, các kỹ sư này nghĩ, và ta có thể khiến cho động cơ đốt trong trở nên thừa và mở ra một thế giới trong đó nhiên liệu hào phóng, dưới dạng năng lượng gió và mặt trời, là tiêu chuẩn. Đó thực sự là một cuộc cách mạng.

Thế nhưng, đó là một cuộc cách mạng mà người ta đã đợi từ lâu. Và họ càng đợi lâu hơn, càng nhiều người nghi ngờ liệu nó có bao giờ xảy ra. Trung Tâm Chung Nghiên cứu Lưu trữ Năng lượng [Joint Centre for Energy Storage Research (JCESR)], mà tại đó Tiến sĩ Pupek và các đồng nghiệp của ông làm việc, hy vọng chứng minh những người nghi ngờ là sai. Nó đã thu hút các bộ óc giỏi nhất về nghiên cứu năng lượng từ các phòng thí nghiệm quốc gia và các đại học của Mỹ lại với nhau, cùng với một nhóm các công ty quan tâm. Nó có cả tiền nữa. Nó vừa nhận được một khoản tài trợ 120 triệu USD từ Bộ Năng Lượng. Mục tiêu, được phát biểu một cách mạnh mẽ, là tạo ra các ắc quy có công suất mạnh hơn năm lần và rẻ hơn năm lần trong năm năm.

Tư duy tích cực

Hầu hết các ắc quy, từ ắc quy axit-chì cổ lỗ, khổng lồ được dùng để khởi động ô tô, đến các ắc quy lithium nhỏ xíu bóng mượt cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ các máy đọc sách điện tử đến đồng hồ, có ba thành phần cơ bản: hai điện cực (một anode và một cathode) và một chất gọi là điện phân cho phép các ion mang điện tích dương chạy giữa các điện cực, cân bằng với dòng chảy của các electron mang điện tích âm tạo thành dòng điện hữu ích của ắc quy. Kỹ xảo tạo ra các loại ắc quy mới là việc mó máy với vật liệu của ba thành phần này theo cách để làm cho ắc quy tốt hơn và rẻ hơn. Bột trắng của Tiến sĩ Pupek nằm trong các vật liệu đó.

Để phát hiện ra nhiều hơn các vật liệu đó, Argonne sẽ tận dụng một bách khoa thư ngày càng tăng nhanh về các chất do Gerbrand Ceder tại MIT (Massachusetts Institute of Technology) tạo ra. Tiến sĩ Ceder vận hành Dự án Vật liệu (Materials Project), dự án nhắm trở thành “Google của các tính chất vật liệu”. Nó cho phép các nhà nghiên cứu tăng tốc cách họ tìm ra các thứ với các tính chất đặc thù. Argonne sẽ dùng Materials Project như một thư viện tham khảo trong việc tìm kiếm các điện cực tốt hơn, và cũng hy vọng bổ sung thêm cho thư viện.

Thử thách đầu tiên của bất kỳ tổ hợp nào của các chất liệu từ Materials Project, hay từ bất kỳ nơi nào khác, sẽ là phải đánh bại công cụ lưu điện thành công nhất nổi lên trong 20 năm qua: ắc quy lithium-ion. Các ắc quy như vậy là phổ biến bây giờ. Nổi tiếng nhất, chúng cấp năng lượng cho nhiều ô tô điện và lai-điện bắt đầu xuất hiện trên đường. Tai tiếng hơn, chúng có xu hướng bị quá nóng và cháy. Hai vụ hỏa hoạn gần đây trên khoang của máy bay mới 787 Dreamliners của Boing đã do các ắc quy như vậy hay hệ thống điều khiển của chúng gây ra. Cải thiện ắc quy lithium-ion sẽ là một thành tích đáng tự hào của bất kỳ phòng thí nghiệm nào.

George Crabtree, giám đốc mới được bổ nhiệm của JCESR, nghĩ mau chóng sẽ cần những cải thiện như vậy. Ông cho là những sự gia tăng hiệu suất có được từ các ắc quy lithium-ion đều đã đạt được rồi, khiến cho việc thay ắc quy trở nên chín muồi. Jeff Chamberlain, phó giám đốc của ông, lạc quan hơn về công nghệ hiện tồn. Ông nói vẫn có thể tăng gấp đôi năng lượng lưu trữ của một ắc quy lithium-ion có trọng lượng cho trước, và cũng giảm được giá thành của nó 30-40%.

Điều này làm rõ tính bất trắc về liệu công nghệ lithium-ion, nếu đẩy đến giới hạn của nó, có thể làm cho ô tô điện thực sự cạnh tranh với các xe chạy bằng động cơ đốt trong, chưa nói đến tốt hơn, hay không. McKinsey, một hãng tư vấn kinh doanh, cho rằng các ắc quy lithium-ion có thể trở nên cạnh tranh vào năm 2020 nhưng, như đồ thị dưới đây cho thấy, vẫn còn nhiều việc phải làm. Hơn nữa, những kẻ đòi quyền soán ngôi của ắc quy lithium-ion đang nổi lên rồi.

Dẫn đầu có lẽ là ắc quy lithium-không khí, trong đó kim loại lithium được oxi hóa tại anode và khử (oxi) tại cathode. Thực chất, nó sử dụng oxi khí quyển như chất điện phân. Việc này làm giảm trọng lượng của nó và có nghĩa mật độ năng lượng của nó là khổng lồ về mặt lý thuyết. Điều đó là quan trọng. Một sự phản đối ô tô điện là xăng nhồi năng lượng vào một kilogram sáu lần nhiều hơn một ắc quy có thể nhồi. Đưa tỷ lệ đó xuống sẽ làm cho ô tô điện hấp dẫn hơn.

Cách tiếp cận lithium-không khí vì thế đã tạo ra nhiều thổi phồng. Tuy vậy, nó có các vấn đề mà sẽ cần hàng năm nghiên cứu để giải quyết. Ắc quy lithium-không khí khó nạp và cực kỳ thất thường. Phản ứng hóa học tạo năng lượng cho chúng không xa với sự đốt cháy tự phát. Các ắc quy lithium-không khí như thế rất dễ cháy và đòi hỏi các hệ thống an toàn chặn chúng bắt lửa.

May thay, các nhà nghiên cứu tại JCESR có các thỏi sắt khác trong lò. Một là ắc quy ion-đa hóa trị. Một nguyên tử lithium chỉ có một electron duy nhất sẵn có cho các phản ứng hóa học. Một nguyên tử magnesium, ngược lại, có hai electron hóa trị như vậy, và một nguyên tử nhôm có ba.

Về lý thuyết, Tiến sĩ Chamberlain nói, điều này có nghĩa là có thể lấy ra hai hoặc ba lần năng lượng từ một ắc quy magnesium hay nhôm. Tuy các kim loại này không nhẹ như lithium (cũng không dương điện [electropositive khả năng mất electron] bằng, để dùng biệt ngữ hóa học thích hợp với lý lẽ), các electron hóa trị thêm của chúng làm tăng lượng năng lượng chúng có thể lưu, như thế đẩy chúng theo hướng cạnh tranh với xăng. Chúng cũng rẻ hơn lithium. Và an toàn hơn. Tuy vậy, các ion của chúng khó di chuyển hơn ở bên trong ắc quy, đó là vì sao chúng chưa được sử dụng nhiều trong quá khứ, và đấy là nơi sẽ cần phải tìm ra các vật liệu mới.

Sự biến đổi thứ hai, bên cạnh các ô tô điện, là các ắc quy tốt hơn có thể mang lại cái được biết đến như lưu điện ở quy mô mạng lưới (grid-scale storage). Nếu việc này có thể được tiến hành đủ rẻ nó sẽ cách mạng hóa kinh tế học về năng lượng gió và mặt trời bằng cách biến vấn đề chính của các nguồn năng lượng như vậy – rằng mặt trời không luôn chiếu sáng và gió không luôn luôn thổi – không còn quan trọng. Cho mục đích này, các nhà nghiên cứu của Argonne đang nghiên cứu về cái được biết đến như các ắc quy chảy.

Với ắc quy chảy

Trong một ắc quy thường chất điện phân được chứa bên trong bình điện và được dùng để chuyên chở các ion giữa các điện cực. Sự tích điện của ắc quy được giữ như thế năng hóa học trong các điện cực đó. Trong một ắc quy chảy sự tích điện được giữ trong bản thân chất điện phân, được chứa trong một bể chứa và sau đó được bơm qua các bình điện (cell) nơi các phản ứng hóa học xảy ra.

Không giống các ắc quy dựa trên bình điện, các ắc quy chảy thực sự có thể được chế tạo rất lớn, vì thế chúng có thể lưu lượng năng lượng khổng lồ. Vì thế ý tưởng sử dụng chúng để thu năng lượng thừa từ các turbine gió và các bảng pin mặt trời và tích trữ nó để dùng muộn hơn. Nhưng chất điện phân dựa trên nước của chúng giới hạn tiềm năng của chúng, bởi vì xu hướng của nước bị phân hủy bởi sự điện phân. Việc đó hạn chế mức điện áp mà chúng có thể hoạt động. Thay các chất điện phân có nước của chúng bằng các chất điện phân hữu cơ sẽ khắc phục được hạn chế này, và các nhà nghiên cứu của Argonne đang cố gắng làm vậy.

Một thế giới được dẫn dắt bởi ắc quy, khi đó, sẽ điện khí hóa các phần của nền kinh tế, như giao thông, mà đã rất ngoan cố, và sẽ khuyến khích việc chuyển từ nhiên liệu hóa thạch đắt tiền (và gây ô nhiễm) sang các nhiên liệu như ánh nắng chẳng tốn xu nào. Như một tuyên ngôn cho một cuộc cách mạng, điều đó cần sự trui rèn nào đấy. Câu hỏi là, các nhà cách mạng sẽ thắng hay chế độ cũ sẽ thắng thế?