Đột Phá Pin Hydro Hoạt Động Ở Nhiệt Độ Chỉ 90 °C, Giải Quyết Rào Cản Lưu Trữ Hydro
Tokyo, Nhật Bản – Các nhà khoa học tại Viện Khoa học Tokyo (Institute of Science Tokyo) vừa phát triển một loại pin hydro mới có khả năng lưu trữ và giải phóng hydro ở mức 90 °C, giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất cho việc ứng dụng hydro như một chất mang năng lượng sạch.
Chất điện giải rắn cho lưu trữ hydro ở nhiệt độ thấp
Magie (Mg) là một vật liệu lưu trữ hydro (H₂) phù hợp nhờ vào khả năng lưu trữ cao (~7,6% khối lượng).
Tuy nhiên, việc sử dụng Mg trong thực tế bị hạn chế do yêu cầu nhiệt độ vận hành rất cao (>300 °C).
Pin Mg–H₂ với chất điện giải rắn dẫn ion hiđrua (H⁻) Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅
Quá trình xả (hấp thụ H₂):
Mg (r) + 2H⁻ → MgH₂ (r) + 2e⁻
H₂ (khí) + 2e⁻ → 2H⁻
Quá trình sạc (giải phóng H₂):
MgH₂ (r) + 2e⁻ → Mg (r) + 2H⁻
2H⁻ → H₂ (khí) + 2e⁻
Trong đó:
-
Cực dương (Anode): Mg/MgH₂
-
Chất điện giải: Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅
-
Cực âm (Cathode): H₂ (khí) + LaHₓ, chất xúc tác
Cấu trúc tinh thể dạng anti-α-AgI
-
D: (Bát diện, 6b)
-
T: (Tứ diện, 12d)
-
Ba/Ca/Na: vị trí tâm khối
-
H⁻: di chuyển tự do qua các vị trí tứ diện và bát diện, giúp dẫn ion hiệu quả.
Truyền thống, việc lưu trữ hydro đòi hỏi nhiệt độ siêu thấp (−252,8 °C) hoặc bình chịu áp lực cao (350–700 bar) — những giải pháp tốn kém và phức tạp, hạn chế tính khả thi của hydro. Một hướng tiếp cận khác là lưu trữ hydro trong vật liệu rắn như magie hiđrua (MgH₂), có dung lượng lưu trữ lý thuyết cao. Tuy nhiên, phương pháp này gặp trở ngại do yêu cầu nhiệt độ vận hành rất cao (trên 300 °C), khả năng tái hấp thụ và nhả hydro kém, cùng các phản ứng phụ làm giảm hiệu suất.
Cách Hoạt Động Của Pin
Loại pin mới di chuyển ion hiđrua (H⁻) thông qua một chất điện giải rắn, cho phép MgH₂ — đóng vai trò cực dương — lưu trữ và giải phóng hydro lặp đi lặp lại ở dung lượng tối đa.
Điểm mấu chốt của đột phá này nằm ở chất điện giải Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅, có cấu trúc tinh thể loại anti-α-AgI nổi tiếng với khả năng dẫn ion siêu nhanh. Trong cấu trúc này, bari, canxi và natri chiếm các vị trí tâm khối, trong khi các ion H⁻ di chuyển tự do qua các vị trí tứ diện và bát diện, giúp đạt được độ dẫn ion cao ở nhiệt độ phòng (2,1 × 10⁻⁵ S cm⁻¹) và độ ổn định điện hóa tốt.
Trong quá trình sạc, MgH₂ giải phóng các ion H⁻ di chuyển qua chất điện giải đến điện cực hydro, nơi chúng bị oxy hóa tạo thành khí H₂. Trong quá trình xả, quá trình này diễn ra ngược lại — khí H₂ được khử thành H⁻ và tái hấp thụ bởi magie để tái tạo MgH₂.
Hệ thống này đã đạt được dung lượng lưu trữ lý thuyết tối đa của MgH₂ (khoảng 2.030 mAh g⁻¹, tương đương 7,6% khối lượng H₂) ở nhiệt độ dưới 100 °C trong nhiều chu kỳ, điều trước đây chưa từng đạt được.
Ý Nghĩa Đối Với Năng Lượng Sạch
“Chúng tôi đã chứng minh được hoạt động của pin Mg–H₂ như một thiết bị lưu trữ năng lượng hydro an toàn và hiệu quả, đạt được dung lượng cao, nhiệt độ thấp, và khả năng hấp thụ/giải phóng hydro có thể đảo ngược,” ông Naoki Matsui, Phó Giáo sư tại Viện Khoa học Tokyo, cho biết.
Tiến sĩ Takashi Hirose, nhà nghiên cứu chính, nhấn mạnh tầm quan trọng của phát hiện này:
“Các đặc tính của pin lưu trữ hydro mà chúng tôi phát triển chưa từng có được bằng các phương pháp nhiệt truyền thống hoặc chất điện giải lỏng, mở ra nền tảng cho các hệ thống lưu trữ hydro hiệu quả, phù hợp để sử dụng như chất mang năng lượng.”
Nhóm nghiên cứu do TS. Hirose, PGS. Matsui, và GS. Ryoji Kanno tại Trung tâm Nghiên cứu Pin Trạng Thái Rắn Toàn Phần (Research Center for All-Solid-State Battery) thuộc Viện Khoa học Tokyo dẫn dắt. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science.
Đột phá này có thể mở đường cho phương tiện chạy bằng hydro, lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện, và các ngành công nghiệp không phát thải carbon, đưa nền kinh tế hydro tiến gần hơn đến hiện thực.
