Các công nghệ pin có thể hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ rất thấp có thể có giá trị cao đối với nhiều ứng dụng. Ví dụ, những loại pin này có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị, phương tiện và hệ thống robot ở ngoài vũ trụ, sâu dưới biển và trong các môi trường khắc nghiệt khác.
Sơ đồ phát triển của dung dịch loãng trong hệ chất tan H2O trong quá trình làm mát và sự khác biệt giữa chiến lược truyền thống và chiến lược đề xuất của chúng tôi. Quá trình đóng băng bao gồm một số thuật ngữ nhiệt độ điển hình là H2O chuyển sang nước đá (Tf), H2O chuyển sang hỗn hợp nước đá và nước kết tinh (Te), H2O chuyển sang nước thủy tinh (Tg). Tín dụng: Jiang và cộng sự. (Năng lượng thiên nhiên, 2024).
Để hoạt động an toàn và hiệu quả trong những môi trường này, pin phải có các bộ phận không bị đóng băng hoặc phản ứng bất lợi khi nhiệt độ giảm đáng kể. Một giải pháp được đề xuất là thiết kế pin nước có thể sạc lại được gọi là chất điện phân chống đóng băng.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và các viện nghiên cứu khác ở Trung Quốc gần đây đã nghĩ ra một chiến lược mới để thiết kế chất điện phân chống đóng băng cho pin nước. Chiến lược này, được nêu trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Energy, tập trung vào hai yếu tố cụ thể liên quan đến nhiệt độ mà cho đến nay vẫn chưa phải là trọng tâm chính của thiết kế chất điện phân chống đóng băng.
Liwei Jiang, Shuai Han và các đồng nghiệp của họ viết trong bài báo: “Thiết kế chất điện phân chống đóng băng thông qua việc lựa chọn hệ chất tan H2O phù hợp là rất quan trọng đối với pin nước nhiệt độ thấp (LTAB).
"Tuy nhiên, việc thiếu hướng dẫn hiệu quả để lựa chọn hệ chất tan H2O dựa trên các yếu tố giới hạn nhiệt độ quyết định đã cản trở sự phát triển của LTAB. Ở đây, chúng tôi đã xác định được hai yếu tố quyết định: nhiệt độ eutectic nhiệt động lực học (Te) và nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh động học (Tg) , với Tg chỉ có thể áp dụng cho LTAB khi hệ chất tan H2O có khả năng siêu làm mát mạnh."
Hầu hết các công trình trước đây nhằm mục đích thiết kế chất điện phân chống đóng băng đều tập trung vào việc điều chỉnh cái gọi là điểm đóng băng (Tf), về cơ bản là điểm chính xác mà tại đó chất lỏng đóng băng và trở nên rắn. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau.
Tuy nhiên, Tf có thể không phải là yếu tố quan trọng nhất hạn chế hoạt động của pin ở nhiệt độ thấp. Trên thực tế, một số chất điện phân cho phép pin hoạt động ở nhiệt độ thấp ngay cả khi bị đóng băng một phần, do đó ở dưới điểm Tf của chúng.
Do đó, trong bài báo của họ, Jiang, Han và các đồng nghiệp của họ tập trung vào hai yếu tố khác liên quan đến nhiệt độ, đó là Te và Tg. Yếu tố đầu tiên là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó dung dịch lỏng vẫn ổn định ở một áp suất nhất định, trong khi yếu tố thứ hai là nhiệt độ mà tại đó độ linh động của phân tử bắt đầu xảy ra và dưới nhiệt độ đó độ linh động này bị đóng băng, dẫn đến sự chuyển đổi sang pha cứng và pha thủy tinh.
"Chúng tôi đã đề xuất một chiến lược chung trong đó các chất điện phân có khả năng làm mát siêu mạnh và Te thấp có thể được hiện thực hóa bằng cách tạo ra các hệ thống nhiều chất tan thông qua việc đưa vào các muối hỗ trợ có cation có thế ion cao (ví dụ: Al3+, Ca2+) hoặc các chất đồng dung môi có độ cho cao. số (ví dụ, ethylene glycol)", các nhà nghiên cứu viết.
"Như một cuộc trình diễn trong các hệ thống dựa trên Na, chúng tôi đã thiết kế các chất điện phân có Te cực thấp (−53,5 đến −72,6 oC) và Tg (−86,1 đến −117,1 oC), thể hiện hiệu suất của pin bao gồm 80 Wh kg−1 và 5.000 chu kỳ ở 25 oC , và 12,5 Wh kg−1 ở −85 oC.”
Trong bài báo của mình, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng một hướng dẫn chi tiết có thể được sử dụng để thiết kế chất điện phân chống đóng băng cho pin nước hoạt động ở nhiệt độ thấp. Trong tương lai, hướng dẫn này có thể hữu ích cho các nhóm nghiên cứu khác, có khả năng góp phần phát triển các giải pháp pin hoạt động tốt hơn cho các công nghệ được thiết kế để triển khai trong không gian, dưới biển sâu và trong các môi trường khác có nhiệt độ cực thấp.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
