Công nghiệp pin và nhà vật lý 97 tuổi Goodenough

Năm 2015, Elon Musk nói “Pin ngày nay có vấn đề bởi chúng là đồ rác rưởi”. Vì thế công ty Tesla của ông đặt ra một trong những vấn đề chiến lược là làm cách mạng về pin.

Một trong những dự án lớn tại Tesla là sản xuất các pin Powerwall trong dự án Gigafactory, đặt mục tiêu vào năm 2020, có sản lượng pin với tổng công suất 50 GW giờ đủ dùng cho nửa triệu ô tô điện. Tháng 3 năm 2019, Elon Musk tuyên bố thành công trong việc tìm ra công nghệ pin mới. Tháng 9 năm 2019, Tesla công bố công nghệ mới về pin có thời gian sử dụng tới 1 triệu dặm và mỗi lần nạp có thể dùng cho ô tô chạy tới 1200 km. Tháng 10 năm 2019, giải thưởng Nobel về Hóa học 2019, được trao cho 2 nhà hóa học S. Wittingham và A.Yoshino và nhà vật lý J.Goodenough về pin Ion Lithium.

Ngày nay, pin được dùng trong mọi nơi mọi chỗ, từ các máy tính laptop, tablet tới các thiết bị di động. Hơn thế nữa, để đối phó lại nguy cơ khủng hoảng năng lượng do cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, nhân loại đang phải phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Một trong vấn đề quan trọng của năng lượng tái tạo là lưu trữ được năng lượng nhờ pin và ắc quy thế hệ mới. Việc đưa con người chinh phục không gian cũng phụ thuộc vào công nghệ pin có thể lưu trữ và sản xuất năng lượng tại chỗ. Công nghệ pin cũng có vai trò quan trọng trong hệ thống dự phòng trong công nghiệp và an ninh quốc phòng. Do đó, công nghệ pin có tầm quan trọng sống còn tới tương lai nhân loại đồng thời là một ngành công nghiệp có thị trường vô tận trước mắt. Đó là ý nghĩa của giải thưởng Nobel về Hóa học năm 2019.

Nguyên tắc của pin truyền thống rất đơn giản và được giảng dạy ngay trong chương trình trung học. Về nguyên lý, pin gồm cực dương anode và cực âm cathode. Cả hai cực thường là kim loại như đồng hoặc kẽm.  Khi nhúng hai cực vào một môi trường điện giải và nối hai cực vào một nguồn điện như axít sunphuaric các ion hydro dương sẽ bị hút về anode và ion âm  về phía cathode tạo thành một hiệu điện thế giữa hai cực. Khi sử dụng, các điện tử sẽ chạy từ cathode về anode và giải phóng ion bị tích tụ ở hai cực, các ion này sẽ tan vào dung dịch điện giải. Các pin sau này có thể dùng các cực bằng các bon, chì hoặc các kim loại khác, chất điện giải cũng có thể thay đổi, nhưng nguyên tắc dựa trên hiện tượng điện phân vẫn gần giống như pin Volta, và được dùng gần 200 năm.

Vào những năm 1970, thế giới trải qua một cuộc khủng hoảng năng lượng dầu mỏ lớn. Khi đó, S. Wittingham, giáo sư tại Trường Đại học Binghamton, New York (Hoa Kỳ) đang nghiên cứu về các vật liệu siêu dẫn, quyết định sử dụng các kiến thức của mình nghiên cứu về pin và đã đề xuất pin Ion Lithium dựa trên cathode làm bằng hợp kim Titan disuphide. Điểm đặc biệt là trong tinh thể của hợp kim này có một lượng pha tạp các nguyên tử của Lithium. Bên cạnh đó, anode được làm bằng kim loại Lithium. Điểm đặc biệt là kim loại này có xu hướng tách điện tử rất dễ dàng tạo được hiệu điện thế khá cao so với các loại pin khác là khoảng 2V. Như vậy, cơ chế sinh ra hiệu điện thế giữa hai cực là dòng các ion dương Lithium về phía anode. Các ion này được lưu trữ ở anode. Khi sử dụng các điện tử sẽ chạy từ cathode về anode, trung hòa các ion Lithium tại đây. Nhược điểm của pin Ion Lithium là các phản ứng cháy nổ phát ra tại anode.

Cuối những năm 1980, nhà vật lý từ trung tâm phát triển các bộ nhớ RAM của Trường Đại học MIT (Hoa Kỳ), J. Goodenough chuyển qua làm việc với tư cách giáo sư, trưởng phòng thí nghiệm Hóa vô cơ của Trường Đại học Oxford (Anh). Đó cũng là cơ hội để ông chuyển sang đề tài mới là pin Ion Lithium, và ông đã cải tiến pin Ion Lithium của Wittingham và đạt được hiệu điện thế cao bất ngờ là 4V. Goodenough đã đề xuất thay thế cathode bằng một hợp kim khác oxít cobalt dựa trên một tiên đoán vật lý từ trước của chính ông là các hợp kim oxít sẽ đem lại hiệu điện thế cao hơn so với các hợp kim disunphide. Dựa trên nguyên tắc của Goodenough, năm 1985, A.Yoshino của công ty Asahi Kasei và đại học Meijo đã phát triển thành công pin Ion Lithium thương mại đầu tiên với anode bằng than cốc dầu khí có pha tạp Lithium. Chính than cốc dầu khí đã hạn chế khả năng cháy nổ của pin Ion Lithium. Ngày nay pin Ion Lithium đã được sử dụng rộng rãi, chiếm phần lớn thị trường pin. Ưu điểm của pin Ion Lithium là nhỏ gọn và không gây ô nhiễm môi trường với các loại axít và chì như pin truyền thống.

Một điểm thú vị là giáo sư Goodenough, năm nay 97 tuổi vẫn làm việc toàn thời gian 48 tiếng một tuần tại khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Texas, Austin. Ông bắt đầu làm việc tại đây năm 64 tuổi, khi nhiều đồng nghiệp đã chuẩn bị nghỉ hưu, cho đến nay là 33 năm và vẫn công bố các phát minh quan trọng trong đó có những đề xuất tiếp tục cải tiến pin Ion Lithium.

Con đường sự nghiệp của Goodenough khá lòng vòng. Ông sinh năm 1922. Từ nhỏ đã mắc chứng dyslesia, một căn bệnh gây khó trong việc đọc và hiểu từ ngữ. Do đó ông thường bị coi là học sinh chậm hiểu. Ông khắc phục căn bệnh này bằng cách đọc rất nhiều thơ và sách triết học vốn rất nhiều từ ngữ khó. Tuy vậy cho đến năm đại học ông vẫn còn bị di chứng của căn bệnh này. Tuy vậy, nhờ thế ông có một kiến thức rất sâu rộng về ngôn ngữ và lịch sử, để sau này tìm được người bạn đời là một sinh viên khoa Sử trường Đại học Chicago. Ông tốt nghiệp đại học về Toán tại Đại học Yale là nơi cha ông là giáo sư lịch sử, trước khi phục vụ quân đội. Năm gần 30 tuổi, ông giải ngũ và quyết định đăng ký học sau đại học về Vật lý tại Đại học Chicago. Khi đó kiến thức về khoa học nói chung và vật lý của ông rất khiêm tốn. Do đó giáo sư phụ trách tuyển sinh, là một nhà vật lý hạt nhân khá nổi tiếng đã ái ngại và nói “Anh có biết rằng bất cứ ai làm được điều gì đáng kể đều đã làm được điều đó ở tuổi của anh”.

Goodenough viết luận văn tiến sĩ với giáo sư vật lý lý thuyết là Zener. Tuy vậy, hiệu ứng vật lý do Zener phát triển đã được sử dụng để chế tạo ra diode Zener và là một công nghệ quan trọng trong công nghiệp điện tử. Có lẽ thiên hướng công nghệ của Goodenough phát triển từ những ngày đó. Và cũng có thể vì thế, sau khi tốt nghiệp ông tìm được công việc với tư cách là nghiên cứu viên phát triển công nghệ bộ nhớ RAM tại MIT. Mặc dù vậy, thiên hướng lý thuyết của ông vẫn rất rõ, vào năm 1955-1959, ông đã phát hiện các tính chất của vật liệu từ và cùng với Kanamori, trong quy tắc Goodenough-Kanamori nổi tiếng.

Goodenough được bổ nhiệm vào ghế giáo sư lần đầu khi ông ngoài 50 tuổi và phụ trách phòng thí nghiệm Hóa vô cơ thuộc Đại học Oxford. Đây cũng là nơi đã từ chối không bổ nhiệm F.Crick vào ghế giáo sư di truyền học sau khi ông này được trao giải thưởng Nobel cùng với J.Watson vì đã tìm ra chuỗi xoắn kép ADN và được giới khoa học tôn vinh là cha đẻ của di truyền học, chỉ với lý do là Crick không có bằng tốt nghiệp đại học về di truyền. Đây cũng là cơ hội để Goodenough thay đổi hướng nghiên cứu và dấn thân vào một hướng công nghệ mới là pin Ion Lithium. Ông đã nhanh chóng nhận ra tiềm năng của pin Ion Lithium và tiên đoán vai trò của các hợp kim oxít sẽ thay thế các hợp kim disulphide sẽ làm tăng hiệu điện thế của pin. Ông đã nhanh chóng phát minh ra pin Ion Lithium mới với hiệu điện thế tăng gấp đôi.

Có lẽ chính vì những đóng quan trọn này, năm 1986, chỉ một năm sau khi pin Ion Lithium thương mại đầu tiên được A.Yoshino đưa ra thị trường, trường đại học Texas Austin đã mời ông về làm giáo sư phụ trách chương trình phát triển công nghệ pin, mặc dù ông đã 64 tuổi là tuổi sắp về hưu. Trong 33 năm sau đó, Goodenough vẫn say sưa sáng chế, nghiên cứu, hướng dẫn nghiên cứu sinh và giảng dạy. Năm 2017, ông tuyên bố là tìm ra một công nghệ pin mới, sau khi có một công bố quan trọng cùng với nhà vật lý nữ người Bồ Đào Nha M.H.Blaga, trong đó chất điện giải trong các pin được thay thế bằng một chất liệu thủy tinh. Cho đến nay ngày làm việc của Goodenough vẫn luôn bắt đầu lúc 7g30 và kết thúc lúc 4g chiều. Ông đã được nhiều giải thưởng danh giá trước giải thưởng Nobel. Ông là một nhà đàm phán tồi, ông không có được một xu từ các bằng sáng chế công nghệ của mình, mặc dù một công ty như Sony cũng đã thu hàng tỷ đô từ doanh thu pin Ion Lithium. Tuy vậy, ông nói rằng quan tâm hàng đầu của ông vào nghiên cứu khoa học không phải lấy được gì ra từ đó mà là đặt được vào đó những gì.

Ngày nay, pin Ion Lithium đã ở vị trí số 1 trên thị trường, chiếm từ 37-49% thị phần. Tuy vậy, pin Ion Lithium vẫn còn nhiều cơ hội để cải tiến, nâng cấp. Bên cạnh đó, các đề xuất mới như pin Sodium, Fluoride, Magnesium và Amoniac cũng có nhiều ưu điểm mới về môi trường, giá thành và hiệu năng. Điều quan trọng nhất là nghiên cứu về pin không đòi hỏi đầu tư quá tốn kém có thể phù hợp với điều kiện của Việt Nam và cơ hội kinh doanh gần như vô tận.

Tiến sĩ Nguyễn Ái Việt (tác giả)

(Ông luôn nhắc đi nhắc lại, tên ông là Ái Việt, không phải Việt), sinh năm 1954 trong một gia đình văn chương, học chuyên Toán, tốt nghiệp ngành Vật Lý lý thuyết tại Hungary. Bảo vệ tiến sĩ tại Việt Nam, ông là người Việt Nam đầu tiên được Viện Hàn lâm khoa học Hungary vinh danh là một trong những nhà khoa học tiên tiến của thế giới. (mỗi năm, Viện này chỉ “chấm” 2 nhà khoa học trên toàn thế giới). Năm 1991 ông được mời sang Mỹ và chuyển sang nghề CNTT.

Ông từng là kỹ sư trưởng phần mềm chuyên về an ninh an toàn thông tin tại các tập đoàn như AT&T và Siemens. Năm 2003, theo lời kêu gọi của bộ trưởng Phạm Gia Khiêm, ông đưa cả gia đình về nước, làm Viện phó Viện chiến lược của Bộ Thông tin Truyền thông, rồi Viện trưởng Viện CNTT của Đại học Quốc gia Hà Nôi. Dầu đã đến tuổi hưu trí, ông vẫn khởi nghiệp với công ty phần mềm với giấc mơ cạnh tranh với Google Translate. Ông là thành viên của Think Tank cố vấn về chính sách cho chính phủ. Con gái ông, tốt nghiệp Đại học ở Mỹ, cũng theo bố về Việt Nam lập nghiệp.