Các nhà nghiên cứu tạo ra pin dòng chảy nhỏ hơn, rẻ hơn cho năng lượng sạch

Các nhà nghiên cứu tạo ra pin dòng chảy nhỏ hơn, rẻ hơn cho năng lượng sạch

    Các nhà nghiên cứu tạo ra pin dòng chảy nhỏ hơn, rẻ hơn cho năng lượng sạch

    Phòng thí nghiệm của Liu tại Trường Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử (ChBE) đã phát triển một cấu hình tế bào pin dòng chảy nhỏ gọn hơn giúp giảm 75% kích thước của tế bào, đồng thời giảm kích thước và chi phí của toàn bộ pin dòng chảy một cách tương ứng. Nguồn: Viện Công nghệ Georgia

    Researchers create smaller, cheaper flow batteries for clean energy
    Năng lượng sạch là giải pháp hàng đầu cho biến đổi khí hậu. Nhưng năng lượng mặt trời và năng lượng gió không nhất quán trong việc tạo ra đủ năng lượng cho lưới điện đáng tin cậy. Ngoài ra, pin lithium-ion có thể lưu trữ năng lượng nhưng là nguồn tài nguyên hạn chế.

    Nian Liu, trợ lý giáo sư tại Viện Công nghệ Georgia, cho biết: “Ưu điểm của nhà máy điện than là nó rất ổn định. "Nếu nguồn điện biến động giống như với năng lượng sạch, thì việc quản lý sẽ khó khăn hơn, vậy làm cách nào chúng ta có thể sử dụng thiết bị hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng để giải quyết những biến động này?"

    Pin dòng chảy cung cấp một giải pháp. Chất điện phân chảy qua các tế bào điện hóa từ bể chứa trong pin sạc này. Các công nghệ pin dòng chảy hiện tại có giá hơn 200 đô la/kilowatt giờ và quá đắt để áp dụng thực tế, nhưng phòng thí nghiệm của Liu tại Trường Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử (ChBE) đã phát triển một cấu hình tế bào pin dòng chảy nhỏ gọn hơn giúp giảm kích thước của tế bào bằng cách 75%, đồng thời giảm tương ứng kích thước và chi phí của toàn bộ pin lưu lượng. Công trình này có thể cách mạng hóa cách mọi thứ từ các tòa nhà thương mại lớn đến nhà ở được cung cấp năng lượng.

    Nhóm nghiên cứu All-Georgia Tech đã công bố phát hiện của họ trong bài báo, "Một tế bào pin lưu lượng vi ống đi kèm dưới milimet với mật độ năng lượng thể tích cực cao", trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.

    Tìm dòng chảy
    Pin dòng chảy lấy tên từ tế bào dòng chảy nơi xảy ra quá trình trao đổi điện tử. Thiết kế thông thường của chúng, tế bào phẳng, yêu cầu các miếng đệm và bộ phân phối dòng chảy cồng kềnh, làm tăng kích thước và chi phí nhưng giảm hiệu suất tổng thể. Bản thân tế bào cũng đắt tiền. Để giảm dấu chân và chi phí, các nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện mật độ năng lượng thể tích của tế bào dòng chảy (W/L-of-cell).

    Họ đã chuyển sang một cấu hình thường được sử dụng trong tách hóa chất—màng vi ống dạng bó, có đường kính dưới milimet (SBMT)—làm bằng màng lọc hình sợi được gọi là sợi rỗng. Cải tiến này có thiết kế tiết kiệm không gian có thể giảm thiểu áp suất trên màng mà các ion đi qua mà không cần cơ sở hạ tầng hỗ trợ bổ sung.

    Ryan Lively, giáo sư tại ChBE, cho biết: “Chúng tôi quan tâm đến ảnh hưởng của hình học bộ tách pin đối với hiệu suất của pin dòng chảy. "Chúng tôi đã nhận thức được những lợi thế mà các sợi rỗng truyền đạt trên màng phân tách và bắt đầu nhận ra những lợi thế tương tự trong lĩnh vực pin."

    Áp dụng khái niệm này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một SMBT giúp giảm khoảng cách giữa các màng tới gần 100 lần. Màng vi ống trong thiết kế hoạt động như một nhà phân phối chất điện phân cùng một lúc mà không cần vật liệu hỗ trợ lớn. Các vi ống đi kèm tạo ra khoảng cách ngắn hơn giữa các điện cực và màng, làm tăng mật độ năng lượng thể tích. Thiết kế kết hợp này là khám phá quan trọng để tối đa hóa tiềm năng của pin lưu lượng.

    Cung cấp năng lượng cho pin
    Để xác thực cấu hình pin mới của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng bốn hóa chất khác nhau: vanadi, kẽm-bromide, quinone-bromide và kẽm-iodide. Mặc dù tất cả các hóa chất đều có chức năng, nhưng có hai hóa chất hứa hẹn nhất. Vanadi là hóa chất trưởng thành nhất, nhưng cũng ít tiếp cận hơn và dạng khử của nó không ổn định trong không khí. Họ nhận thấy kẽm iodua là lựa chọn tiết kiệm năng lượng nhất, làm cho nó trở nên hiệu quả nhất đối với các đơn vị dân cư. Kẽm-iodua mang lại nhiều lợi thế thậm chí so với lithium: Nó ít gây ra vấn đề về chuỗi cung ứng hơn và cũng có thể biến thành oxit kẽm và hòa tan trong axit, giúp tái chế dễ dàng hơn nhiều.

    Giải pháp điện hóa cho hình dạng độc đáo này của pin lưu lượng tỏ ra mạnh mẽ hơn so với các tế bào phẳng thông thường.

    Xing Xie, trợ lý giáo sư tại Trường Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường cho biết: “Hiệu suất vượt trội của SMBT cũng được chứng minh bằng phân tích phần tử hữu hạn. "Phương pháp mô phỏng này cũng sẽ được áp dụng trong nghiên cứu tương lai của chúng tôi để tối ưu hóa hiệu suất tế bào và mở rộng quy mô."

    Với hóa chất kẽm-iodua, pin có thể chạy trong hơn 220 giờ hoặc tới > 2.500 chu kỳ ở điều kiện ngoài giờ cao điểm. Nó cũng có khả năng giảm chi phí từ 800 đô la xuống dưới 200 đô la mỗi kilowatt giờ bằng cách sử dụng chất điện phân tái chế.

    Xây dựng tương lai năng lượng
    Các nhà nghiên cứu đang tiến hành thương mại hóa, tập trung vào phát triển pin với các chất hóa học khác nhau như vanadi và tăng kích thước của chúng. Việc mở rộng quy mô sẽ yêu cầu đưa ra một quy trình tự động để sản xuất mô-đun sợi rỗng, hiện được thực hiện thủ công, từng sợi một. Cuối cùng, họ hy vọng sẽ triển khai pin trong Georgia Tech's 1.4-megawatt microgrid ở Tech Square, một dự án thử nghiệm tích hợp microgrid vào lưới điện và cung cấp phòng thí nghiệm sống cho các giáo sư và sinh viên.

    Các tế bào SBMT cũng có thể được áp dụng cho các hệ thống lưu trữ năng lượng khác nhau như điện phân và pin nhiên liệu. Công nghệ này thậm chí có thể được củng cố bằng các vật liệu tiên tiến và các chất hóa học khác nhau trong các ứng dụng khác nhau.

    "Sự đổi mới này rất hướng đến ứng dụng," Liu nói. "Chúng tôi có nhu cầu đạt được mức trung hòa carbon bằng cách tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong quá trình sản xuất năng lượng của chúng tôi và hiện tại, tỷ lệ này ở Hoa Kỳ là dưới 15%. Nghiên cứu của chúng tôi có thể thay đổi điều này."

    Zalo
    Hotline