Một chủ đề nóng: Nhiệt độ tăng thúc đẩy mất năng lượng trong pin nhiên liệu như thế nào
Ashley Piccone, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore
Mô phỏng cơ học lượng tử cho thấy tác động của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong pin điện hóa. Nguồn: Liam Krauss/LLNL Grand Challenge Graphics Support
Bằng cách phân tách các phân tử nước, pin nhiên liệu có thể biến điện thành nhiên liệu hydro. Khi chạy theo hướng ngược lại, chúng tiêu thụ nhiên liệu hydro để cung cấp năng lượng sạch cho nhiều khu vực. Thông thường, nhiệt là thành phần chính để đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao có thể đánh bại động cơ đốt trong.
Nhưng giống như đường ống nhỏ giọt, pin nhiên liệu có thể bị rò rỉ hiệu suất. Trong một nghiên cứu được công bố trên PRX Energy, các nhà khoa học từ Nhóm mô phỏng lượng tử của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) đã tiết lộ nhiệt độ vận hành cao có thể làm tăng rò rỉ điện trong vật liệu pin nhiên liệu được nghiên cứu rộng rãi như thế nào.
"Theo truyền thống, các mô hình không tính đến đầy đủ các rung động do nhiệt độ gây ra", Shenli Zhang, nhà vật lý của LLNL và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết. "Nhưng các tính toán của chúng tôi cho thấy rằng hiệu ứng này không hề nhỏ—đặc biệt là đối với nhiệt độ hoạt động trên 600 Kelvin vốn là nhiệt độ điển hình của các tế bào này".
Bài báo đi sâu vào thế giới vi mô của bari zirconat, một chất điện phân oxit rắn phổ biến, bằng cách sử dụng các mô phỏng cơ học lượng tử tiên tiến. Bên trong chất điện phân này, nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm các electron và lỗ trống mà chúng để lại sau khi thoát khỏi nguyên tử.
"Chúng tôi không muốn các electron hoặc lỗ trống vận chuyển bên trong tế bào vì điều này tiêu thụ năng lượng đầu vào nhưng không góp phần vào quá trình chuyển đổi năng lượng", Zhang cho biết. "Quá trình này làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tế bào, vì vậy chúng tôi muốn tránh nó".
Với các mô phỏng của mình, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra các dao động mạng trong cấu trúc nguyên tử của vật liệu điện phân. Các dao động ở nhiệt độ cao đẩy dải hóa trị của electron lên trên, về cơ bản là đưa các hạt tích điện âm đến gần hơn để thoát ra. Các nhà nghiên cứu quan sát thấy số lượng lỗ trống tích điện dương trong hệ thống nhiều hơn gấp bốn lần khi tính đến nhiệt độ cao hơn—có nghĩa là số lượng electron không hữu ích thoát ra nhiều hơn gấp bốn lần.
Bằng cách điều chỉnh các tham số mô hình, nhóm đã phát triển một giao thức mô phỏng để ước tính số lượng electron và lỗ trống theo chức năng của nhiệt độ.
"Những hiểu biết sâu sắc này giúp chúng tôi định lượng được mức độ rò rỉ điện liên quan đến nhiệt độ và giúp chúng tôi kiểm soát tốt hơn việc thiết kế vật liệu hoặc điều kiện vận hành để giảm thiểu những tổn thất đó", đồng tác giả Joel Varley, nhà khoa học LLNL và là trưởng nhóm dự án cho biết.
Nhìn về phía trước, các nhà khoa học đặt mục tiêu mở rộng công trình sang các vật liệu điện phân oxit rắn khác và đẩy nhanh quá trình này bằng các tiềm năng học máy.
Thông tin thêm: Shenli Zhang và cộng sự, Chuẩn hóa Electron-Phonon trong chất điện phân dẫn proton BaZrO3 và ý nghĩa của nó đối với quá trình điện phân nhiệt độ cao, PRX Energy (2025). DOI: 10.1103/PRXEnergy.4.013013
Thông tin tạp chí: PRX Energy
Cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore
