Các xe điện hiện nay sử dụng pin lithium-ion, loại pin cũng dùng trong điện thoại thông minh, máy tính xách tay, và cả hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô kết nối với lưới điện. Loại pin này là một tiêu chuẩn trong nhiều thập kỷ, được các thế hệ nhà khoa học tinh chỉnh, cải tiến và hiện gần đạt đến giới hạn vật lý của chúng. Ngay cả với vật liệu tốt nhất và thiết kế tối ưu nhất, cũng chỉ có một lượng năng lượng nhất định có thể tích trữ trong pin lithium-ion.
Các nhà khoa học luôn nỗ lực tìm kiếm các giải pháp pin thay thế với hiệu suất tốt hơn, chi phí thấp hơn và tính bền vững với môi trường được cải thiện. Một thiết kế đầy hứa hẹn là sử dụng lưu huỳnh, có thể tăng đáng kể dung lượng pin, mặc dù vẫn còn một số trở ngại trước khi nó có thể sử dụng rộng rãi.
Bất kỳ loại pin nào cũng có ba thành phần cơ bản: một vùng tích điện dương, được gọi là cực âm; một vùng tích điện âm, được gọi là cực dương; và chất điện phân nằm giữa hai vùng này, cho phép các nguyên tử tích điện, hay còn gọi là ion, di chuyển giữa cực âm và cực dương.
Trong pin lithium-ion, cực âm làm bằng oxit kim loại, thường chứa các kim loại như niken, coban, mangan, liên kết với oxy. Các vật liệu được xếp lớp, với ion lithium nằm giữa các lớp. Trong quá trình sạc, các ion lithium tách khỏi vật liệu cực âm dạng lớp, di chuyển qua chất điện phân đến cực dương.
Cực dương thường là than chì, cũng được xếp lớp, có khoảng trống cho ion lithium nằm ở giữa. Trong quá trình xả, các ion lithium rời khỏi lớp than chì, di chuyển trở lại qua chất điện phân, tái chèn vào cấu trúc cực âm dạng lớp, kết hợp lại với oxit kim loại để giải phóng điện năng, cung cấp cho ô tô, điện thoại thông minh.
Trong pin lithium-lưu huỳnh, các ion lithium cũng di chuyển qua lại, nhưng phản ứng hóa học thì khác. Cực âm của nó được làm từ lưu huỳnh nhúng trong ma trận carbon dẫn điện, còn cực dương chủ yếu làm từ chính lithium, chứ không phải là các lớp than chì với lithium ở giữa.
Trong quá trình phóng điện, các ion lithium di chuyển từ cực dương, qua chất điện phân đến cực âm, nơi chúng chuyển hóa lưu huỳnh về mặt hóa học theo các bước tuần tự thành một loạt hợp chất gọi là lithium sulfide. Trong quá trình sạc, các ion lithium tách ra khỏi các hợp chất sulfide, rời khỏi cực âm, di chuyển trở lại cực dương.
Quá trình sạc và xả của pin lithium-lưu huỳnh là phản ứng chuyển hóa hóa học liên quan đến nhiều electron hơn so với quá trình tương tự trong pin lithium-ion. Điều đó có nghĩa về mặt lý thuyết, pin lithium-lưu huỳnh có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn pin lithium-ion cùng kích thước.
Lưu huỳnh rẻ và dồi dào trên thế giới, có nghĩa là các nhà sản xuất pin không cần phải phụ thuộc vào các kim loại khan hiếm như niken, coban, vốn phân bố không đồng đều trên Trái đất. Lợi thế đó có thể tạo ra loại pin có dung lượng lớn hơn nhiều, đồng thời có chi phí sản xuất rẻ hơn.
Trở ngại lớn nhất đối với việc sản xuất và sử dụng phổ biến pin gốc lưu huỳnh là độ bền. Một viên pin lithium-ion tốt, như loại dùng trong xe điện, có thể trải qua hàng nghìn chu kỳ xả và sạc trước khi dung lượng bắt đầu giảm. Điều đó tương đương với hàng nghìn chuyến đi bằng ô tô.
Nhưng pin lithium-lưu huỳnh giảm dung lượng nhanh hơn nhiều, đôi khi chỉ sau chưa đến 100 chu kỳ. Con số đó thực sự rất ít. Lý do ở khía cạnh hóa học. Trong phản ứng hóa học lưu trữ và giải phóng năng lượng trong pin lithium-lưu huỳnh, một số hợp chất lithium sulfide hòa tan vào chất điện phân của pin.
Khi điều đó xảy ra, lượng lưu huỳnh và lithium đó sẽ bị loại bỏ khỏi việc tham gia vào bất kỳ phản ứng nào còn lại sau đó, có nghĩa là sau mỗi chu kỳ sạc và xả, sẽ có ít nguyên tố hơn có sẵn để lưu trữ và giải phóng năng lượng.
Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các thiết kế được cải tiến. Các phiên bản trước của loại pin này giảm phần lớn dung lượng chỉ sau vài chục chu kỳ sạc/xả, và ngay cả nguyên mẫu tốt nhất trong phòng thí nghiệm cũng khó có thể hoạt động quá vài trăm chu kỳ.
Các nguyên mẫu mới giờ đây giữ lại hơn 80% dung lượng ban đầu ngay cả sau hàng nghìn chu kỳ sạc/xả. Cải tiến này đến từ việc thiết kế lại các bộ phận chính của pin và điều chỉnh chất điện phân giúp ngăn chặn sự hòa tan và di chuyển của lithium sulfide.
Các điện cực cũng được cải tiến, sử dụng vật liệu như carbon xốp, có thể giữ lại lithium sulfide trung gian, ngăn chúng di chuyển ra khỏi cực âm. Điều này giúp phản ứng phóng điện và sạc diễn ra mà không bị tổn thất quá nhiều, làm cho phản ứng hiệu quả hơn, do đó pin có tuổi thọ cao hơn.
Pin lithium-lưu huỳnh giờ không chỉ để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nữa, nhưng vẫn còn nhiều thách thức đáng kể, trước khi chúng có thể trở thành ứng cử viên sáng giá cho việc lưu trữ năng lượng trong thực tế.
Một vấn đề khác là pin lithium-lưu huỳnh lưu trữ càng nhiều năng lượng thì số chu kỳ sạc mà nó có thể chịu được càng ít. Điều này do các phản ứng hóa học diễn ra mạnh mẽ hơn khi năng lượng tăng lên.
Sự đánh đổi này có thể không là trở ngại lớn đối với việc sử dụng loại pin này trong các ứng dụng, nơi mật độ năng lượng cực cao không quá quan trọng. Nhưng với xe điện, đòi hỏi cả dung lượng năng lượng cao và tuổi thọ chu kỳ dài, các nhà khoa học và nhà nghiên cứu vẫn cần tìm ra sự cân bằng khả thi. Điều đó có nghĩa là pin lithium-lưu huỳnh thế hệ tiếp theo có thể cần vài năm nữa mới hoàn thiện.
