Đột phá về pin: Các nhà khoa học tăng gấp đôi hiệu suất với điện cực khô
Một công nghệ điện cực khô mới giúp tăng cường hiệu suất và độ ổn định của pin kẽm-iốt, có khả năng định hình lại cách chúng ta lưu trữ năng lượng ở quy mô lớn. Nguồn: Shutterstock
Pin kẽm-iốt quy trình khô từ Adelaide cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng an toàn hơn, lâu dài hơn với dung lượng và độ ổn định cao.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Adelaide đã phát triển một điện cực khô mới cho pin nước, tạo ra cực âm có hiệu suất cao gấp đôi so với cả pin iốt và pin lithium-ion.
Giáo sư Shizhang Qiao của Đại học Adelaide, Chủ tịch Khoa Công nghệ nano và Giám đốc Trung tâm Vật liệu trong Năng lượng và Xúc tác, thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, cho biết: "Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật điện cực mới cho pin kẽm-iốt, tránh được việc trộn iốt ướt theo cách truyền thống".
“Chúng tôi trộn các vật liệu hoạt tính dưới dạng bột khô và cán chúng thành các điện cực dày, tự hỗ trợ. Đồng thời, chúng tôi thêm một lượng nhỏ hóa chất đơn giản, được gọi là 1,3,5-trioxane, vào chất điện phân, biến thành một lớp màng bảo vệ linh hoạt trên bề mặt kẽm trong quá trình sạc. Lớp màng này ngăn kẽm hình thành các nhánh cây nhọn – các cấu trúc giống như kim có thể hình thành trên bề mặt của cực dương kẽm trong quá trình sạc và xả – có thể làm ngắn mạch pin.”
Giải pháp thay thế an toàn hơn, bền vững hơn cho pin lithium-ion
Pin kẽm-iod dạng nước mang lại lợi ích về an toàn, tính bền vững và chi phí đặc biệt cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện, nhưng hiệu suất của chúng vẫn kém hơn so với pin lithium-ion.
Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả của họ trên tạp chí Joule.
“Kỹ thuật mới để chuẩn bị điện cực đã tạo ra mức tải kỷ lục là 100 mg vật liệu hoạt tính trên mỗi cm2”, Han Wu, cộng sự nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Hóa học của Đại học Adelaide, từ nhóm nghiên cứu cho biết.
“Sau khi sạc các cell túi mà chúng tôi tạo ra sử dụng điện cực mới, chúng vẫn giữ được 88,6 phần trăm dung lượng sau 750 chu kỳ và các cell đồng xu giữ được gần 99,8 phần trăm dung lượng sau 500 chu kỳ. Chúng tôi trực tiếp quan sát cách lớp màng bảo vệ hình thành trên kẽm bằng cách sử dụng các phép đo hồng ngoại synchrotron.”
Tiềm năng thực tế cho lưu trữ quy mô lưới
Với tải iốt cao và giao diện kẽm mạnh, mỗi pin có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn đáng kể với trọng lượng và chi phí thấp hơn. Sự tiến bộ này có thể đưa pin kẽm-iodine đến gần hơn với mục đích sử dụng thực tế trong các ứng dụng lưu trữ quy mô lớn hoặc lưới điện.
Phát minh của nhóm có một số ưu điểm so với công nghệ pin hiện có:
Dung lượng cao hơn: điện cực khô chứa nhiều vật liệu hoạt động hơn so với điện cực được chế tạo bằng phương pháp xử lý ướt, thường đạt dưới 2 mA h cm².
Tự xả và mất mát do chuyển mạch thấp hơn: cấu trúc dày đặc của điện cực khô giúp ngăn iốt rò rỉ vào chất điện phân, nếu không sẽ làm giảm hiệu suất.
Độ ổn định kẽm tốt hơn: một lớp màng bảo vệ hình thành tại chỗ trong quá trình vận hành, ngăn chặn sự phát triển của dendrite và kéo dài đáng kể tuổi thọ chu kỳ của pin.
"Công nghệ mới sẽ mang lại lợi ích cho các nhà cung cấp lưu trữ năng lượng - đặc biệt là đối với tích hợp năng lượng tái tạo và cân bằng lưới điện - những người sẽ có được pin có chi phí thấp hơn, an toàn hơn và bền hơn", Giáo sư Qiao cho biết.
"Các ngành công nghiệp cần ngân hàng năng lượng lớn, ổn định, ví dụ như tiện ích và lưới điện siêu nhỏ, có thể áp dụng công nghệ này sớm hơn".
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch phát triển công nghệ hơn nữa để mở rộng khả năng của mình.
"Sản xuất điện cực có thể được mở rộng bằng cách sử dụng sản xuất cuộn-cuộn", Giáo sư Qiao cho biết.
"Bằng cách tối ưu hóa các bộ thu dòng điện nhẹ hơn và giảm chất điện phân dư thừa, mật độ năng lượng của toàn bộ hệ thống có thể tăng gấp đôi từ khoảng 45 watt-giờ trên kilôgam (Wh kg−1) lên khoảng 90 Wh kg−1. Chúng tôi cũng sẽ thử nghiệm hiệu suất của các hóa chất halogen khác như hệ thống brom, sử dụng cùng một phương pháp quy trình khô".
Tài liệu tham khảo: “Pin kẽm-iodine dạng nước có khả năng tải cực cao và hiệu suất tiên tiến” của Han Wu, Shao-Jian Zhang, Jitraporn Vongsvivut, Mietek Jaroniec, Junnan Hao và Shi-Zhang Qiao, ngày 12 tháng 6 năm 2025, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2025.102000
Nguồn tài trợ: Hội đồng nghiên cứu Úc
