Khám phá tương lai của pin nước
Các loại hóa chất điện cực trong pin nước. Ảnh: Nature Reviews Materials (2022). DOI: 10.1038/s41578-022-00511-3
Pin lithium-ion, ngày nay cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ điện thoại thông minh chúng ta mang theo trong túi cho đến xe điện chúng ta lái, được dự đoán sẽ chiếm 80% thị trường pin sạc trong những năm tới.
Có lý do chính đáng cho sự phổ biến của chúng—pin lithium-ion cung cấp dung lượng, hiệu suất và tuổi thọ pin tốt hơn các loại pin khác trên thị trường hiện tại. Tuy nhiên, chúng vẫn khá đắt và có thể bắt lửa hoặc phát nổ trong điều kiện khắc nghiệt.
Hai chuyên gia hàng đầu về pin tại Đại học Houston cho rằng pin lithium-ion tiêu chuẩn vàng sắp có một số đối thủ cạnh tranh. Họ đang đặt cược vào loại pin dung dịch nước khiêm tốn—với chất điện phân gốc nước—thường được coi là an toàn, đáng tin cậy và giá cả phải chăng.
Yan Yao, Hugh Roy và Lillie Cranz Cullen, Giáo sư nổi tiếng về Kỹ thuật Điện và Máy tính, đồng thời là điều tra viên chính tại Trung tâm Siêu dẫn Texas tại Đại học Houston, cho biết: “Ý tưởng là phát triển loại pin nước tiên tiến có thể kết hợp độ an toàn tốt hơn và điện áp cao hơn”. . Yao đã dẫn đầu nghiên cứu về vật liệu và thiết bị lưu trữ năng lượng trong khoảng một thập kỷ nay. Nhóm của anh ấy đang thực hiện sứ mệnh tạo ra những loại pin tốt hơn, an toàn hơn và ít tốn kém hơn.
Yao và Yanliang "Leonard" Liang, trợ lý giáo sư nghiên cứu về kỹ thuật điện và máy tính, gần đây đã được Nature Reviews Materials mời để đánh giá quá trình phát triển của pin nước có thể sạc lại. "Thiết kế pin nước hiện đại" nêu bật những bước đột phá quan trọng trong thập kỷ qua, đồng thời cung cấp hướng dẫn và định hướng cho nghiên cứu mới.
"Đánh giá của chúng tôi có phạm vi rộng vì chúng tôi muốn vẽ một bức tranh lớn về bối cảnh của pin nước," Liang nói. “Nếu chúng ta không hiểu bức tranh tổng thể, chúng ta không thể biết cơ hội tiếp theo sẽ ở đâu”.
Pin nước bây giờ ở đâu và chúng cần ở đâu?
Sự thúc đẩy mạnh mẽ hướng tới điện khí hóa trong hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống, nhu cầu ngày càng tăng đối với đồ điện tử tiêu dùng và xe điện và nhu cầu lưu trữ đầy đủ năng lượng tái tạo đang thúc đẩy nhu cầu về pin ngày càng cao.
Pin nước thương mại tồn tại ngày nay thiếu mật độ năng lượng và năng lượng lâu dài cần được xem xét nghiêm túc cho ứng dụng quy mô lớn như vận chuyển và lưu trữ lưới điện.
Tuy nhiên, Liang và Yao nhấn mạnh rằng những đổi mới liên quan đến vật liệu và hóa chất, cùng với những tiến bộ nghiên cứu khác đã tạo ra những cơ hội mới cho một dạng pin nước hiện đại, tiên tiến hơn.
Pin nước có thể sạc lại mang lại nhiều lợi thế—nguyên liệu thô phong phú và chi phí thấp; yêu cầu tối thiểu cho môi trường sản xuất; Không dễ cháy; chế tạo đơn giản và công suất cao, xác định thời gian cần để sạc đầy và tăng tốc từ 0 đến 60 dặm/giờ.
Chúng cũng có nhược điểm—cửa sổ ổn định điện hóa nhiệt động hẹp, hoạt động sai có thể dẫn đến nổ và tất nhiên là mật độ năng lượng thấp.
Theo các tác giả, có những phiên bản hiện đại được làm bằng vật liệu cải tiến đang trong giai đoạn đầu thương mại hóa, đây là những bước phát triển quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang bước đột phá nghiên cứu pin lớn tiếp theo.
Mục tiêu là tạo ra một loại pin nước tiên tiến có thể mang lại hiệu quả tốt nhất cho cả hai thế giới. Yao cho biết: “Loại pin mới dựa trên nước này sẽ mang lại sự an toàn tốt hơn và điện áp cao hơn.
Thiết kế pin nước đột phá
Thiết kế phiên bản mới và cải tiến của pin nước sẽ cách mạng hóa thị trường pin không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Nó đòi hỏi kiến thức về những điều phức tạp cơ bản nhất và công nghệ mới để tạo ra phiên bản lý tưởng—từ pha trộn và kết hợp các màng và lớp phủ chọn lọc ion với chất điện phân nước loãng, đến các loại phản ứng điện cực mới và thiết kế tế bào mô-đun.
Theo các nhà nghiên cứu, mục tiêu là mở rộng cửa sổ ổn định điện hóa, cho phép hóa học pin hoạt động trên các dải điện áp rộng hơn và tạo ra nhiều năng lượng hơn, dẫn đến những cơ hội mới.
"Cách chúng tôi tích hợp các thành phần khác nhau sẽ có tác động sâu sắc trong lĩnh vực này," Liang nói. "Chúng ta phải kết hợp và kết hợp và thử những cách kết hợp mới. Đôi khi điều này sẽ mang lại sự cải thiện ở lĩnh vực này nhưng lại ảnh hưởng ở lĩnh vực khác. Chúng ta phải thực tế và tiếp tục cố gắng làm cho nó ngày càng tốt hơn."
Đó là tất cả về việc đưa ra các kết hợp thông minh sẽ mang lại hai mục tiêu là năng lượng cao và độ an toàn cao.
Liang, người có sở thích nghiên cứu về mọi thứ, từ pin trạng thái rắn và pin nước đến pin kim loại đa hóa trị, cũng như pin lithium và natri, hy vọng rằng lý tưởng có thể đạt được nhờ các công cụ hiện đại và những khám phá mới. Ông nói: “Một ngày nào đó, bạn sẽ có một loại pin nước có điện áp tương tự như pin lithium-ion, nhưng sẽ an toàn hơn vì nó dựa trên nước.
Tuy nhiên, nghiên cứu
