Các nhà khoa học do một nhà nghiên cứu thuộc Đại học Bang Oregon đứng đầu đã phát triển một chất điện phân mới giúp tăng hiệu suất của cực dương kim loại kẽm trong pin kẽm lên gần 100%, một bước đột phá trên con đường thay thế pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
Nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực toàn cầu đang diễn ra nhằm tìm kiếm các hóa chất pin mới có khả năng lưu trữ năng lượng mặt trời và năng lượng gió tái tạo trên lưới điện để sử dụng khi mặt trời không chiếu sáng và gió không thổi.
Xiulei "David" Ji của Đại học Khoa học OSU và sự cộng tác bao gồm HP Inc. và GROTTHUSS INC., một công ty con của Bang Oregon, đã báo cáo những phát hiện của họ trong Nature Sustainability.
Ji cho biết: “Bước đột phá này thể hiện một tiến bộ đáng kể trong việc làm cho pin kim loại kẽm dễ tiếp cận hơn với người tiêu dùng. "Những loại pin này rất cần thiết cho việc lắp đặt thêm các trang trại năng lượng mặt trời và gió. Ngoài ra, chúng còn cung cấp giải pháp an toàn và hiệu quả để lưu trữ năng lượng tại nhà, cũng như các mô-đun lưu trữ năng lượng cho các cộng đồng dễ bị ảnh hưởng bởi thiên tai."
Credit: Pixabay/CC0 Public Domain
Pin lưu trữ điện dưới dạng năng lượng hóa học và thông qua các phản ứng chuyển đổi nó thành năng lượng điện. Có nhiều loại pin khác nhau, nhưng hầu hết chúng hoạt động theo cùng một cách cơ bản và chứa các thành phần cơ bản giống nhau.
Mỗi pin có hai điện cực — cực dương, từ đó các electron chảy ra mạch ngoài và cực âm, thu nhận các electron từ mạch ngoài — và chất điện phân, môi trường hóa học ngăn cách các điện cực và cho phép dòng ion giữa chúng. .
Dựa vào một kim loại an toàn và dồi dào, pin dựa trên kẽm có mật độ năng lượng cao và được coi là giải pháp thay thế khả thi để lưu trữ năng lượng lưới điện cho pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi, loại pin được sản xuất dựa trên nguồn cung cấp kim loại hiếm như coban và niken đang ngày càng cạn kiệt. Coban và niken cũng độc hại và có thể gây ô nhiễm hệ sinh thái và nguồn nước nếu chúng rò rỉ ra khỏi bãi chôn lấp.
Ngoài ra, chất điện phân trong pin lithium-ion thường được hòa tan trong dung môi hữu cơ dễ cháy, dung môi này thường bị phân hủy ở điện áp hoạt động cao. Các vấn đề an toàn khác bao gồm sợi nhánh, giống như những cây nhỏ mọc bên trong pin. Chúng có thể xuyên qua dải phân cách giống như cây tật lê mọc qua các vết nứt trên đường lái xe vào nhà, dẫn đến các phản ứng hóa học không mong muốn và đôi khi không an toàn.
Ji cho biết: “Pin kim loại kẽm là một trong những công nghệ ứng cử viên hàng đầu để lưu trữ năng lượng quy mô lớn. "Chất điện phân lai mới của chúng tôi sử dụng nước và dung môi pin thông thường, không bắt lửa, tiết kiệm chi phí và ít tác động đến môi trường. Chất điện phân được làm từ hỗn hợp hòa tan của các muối clorua rẻ tiền, với loại chính là kẽm clorua."
Ji cho biết chi phí điện được cung cấp bởi một cơ sở lưu trữ bao gồm pin kẽm chỉ có thể cạnh tranh với điện sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch nếu pin có vòng đời dài hàng nghìn chu kỳ. Tuy nhiên, cho đến nay, tuổi thọ của chu kỳ đã bị hạn chế do hiệu suất đảo ngược kém của cực dương kẽm.
Ji giải thích, trong quá trình sạc, các cation kẽm trong chất điện phân thu được các electron và được mạ trên bề mặt cực dương. Trong quá trình phóng điện, cực dương được mạ sẽ nhường điện tử cho khối lượng công việc bằng cách hòa tan vào chất điện phân.
"Quá trình hòa tan và mạ kẽm này thường không thể đảo ngược được," Ji nói. "Cụ thể là, một số electron được sử dụng trong lớp mạ không thể được thu hồi trong quá trình phóng điện. Đây là một vấn đề trong lĩnh vực được gọi là hiệu suất Coulombic."
Hiệu suất coulombic, hay CE, là thước đo mức độ chuyển điện tử trong pin, tỷ lệ giữa tổng điện tích được lấy ra từ pin so với điện tích được đưa vào trong toàn bộ chu kỳ. Pin lithium-ion có thể có CE vượt quá 99%.
Chất điện phân mới được phát triển bởi Ji và các cộng tác viên bao gồm các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts, Bang Penn và Đại học California, Riverside, cho phép CE là 99,95%.
Ji cho biết: “Thách thức chính đối với pin kẽm là kẽm phản ứng với nước trong chất điện phân để tạo ra khí hydro trong cái được gọi là phản ứng tiến hóa hydro. "Phản ứng ký sinh này gây ra vòng đời ngắn và cũng là một mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn."
Tuy nhiên, chất điện phân mới hạn chế khả năng phản ứng của nước và gần như tắt phản ứng tạo ra hydro bằng cách hình thành một "lớp thụ động" trên bề mặt cực dương. Một lớp thụ động hóa tương tự là thứ cho phép thương mại hóa ban đầu pin lithium-ion vào những năm 1990.
Ji ghi công cho đồng nghiệp hóa học của OSU, Chong Fang vì đã khám phá ra cấu trúc nguyên tử của chất điện phân bằng cách sử dụng quang phổ Raman của femto giây và Alex Greaney tại UC Riverside để xác định cơ chế thụ động hóa.
"Ngoài ra, điều đáng chú ý là hiệu quả mà chúng tôi đo được trong các điều kiện khắc nghiệt không che lấp bất kỳ thiệt hại nào do phản ứng tiến hóa hydro gây ra", Ji nói thêm. "Bước đột phá được báo cáo ở đây báo trước việc thương mại hóa pin kim loại kẽm trong tương lai gần để lưu trữ lưới điện quy mô lớn."
