Năng lượng mặt trời và gió đang nhanh chóng biến đổi bức tranh năng lượng, nhưng nếu chúng ta muốn khai thác hết tiềm năng của các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục này, chúng ta sẽ cần những loại pin an toàn, giá cả phải chăng có khả năng lưu trữ năng lượng.
Nền tảng thiết kế SH-ZIT. Tín dụng: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08079-4
Trong nỗ lực khắc phục thách thức về lưu trữ năng lượng dài hạn, các kỹ sư của Đại học Wisconsin–Madison đã phát minh ra một chất phụ gia hóa học hòa tan trong nước giúp cải thiện hiệu suất của một loại lưu trữ điện hóa gọi là pin dòng chảy bromua.
"Pin dòng chảy nước gốc bromua là một giải pháp đầy hứa hẹn, nhưng chúng lại có nhiều vấn đề điện hóa phức tạp. Đó là lý do tại sao hiện nay không có sản phẩm gốc bromua nào thực sự thành công", Patrick Sullivan, tốt nghiệp UW–Madison với bằng Tiến sĩ hóa học năm 2023, cho biết. "Tuy nhiên, chất phụ gia duy nhất của chúng tôi có thể giải quyết rất nhiều vấn đề khác nhau".
Sullivan, nghiên cứu sinh tiến sĩ Gyohun Choi và Dawei Feng, phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại UW–Madison, đã phát triển chất phụ gia này. Nghiên cứu được công bố vào ngày 23 tháng 10 năm 2024 trên tạp chí Nature.
Hiện nay, các bộ pin lithium-ion cỡ xe đầu kéo khổng lồ lưu trữ năng lượng cho lưới điện—nhưng có những hạn chế về mặt kỹ thuật. Pin lithium có những lo ngại về an toàn do khả năng gây cháy nổ và chuỗi cung ứng quốc tế phức tạp.
Tuy nhiên, pin dòng nước có thể giúp lưu trữ quy mô lưới điện an toàn hơn và rẻ hơn. Trong những loại pin này, chất điện phân lỏng dương và âm lưu thông qua các điện cực được ngăn cách bằng màng. Vì pin sử dụng các ion hòa tan trong chất lỏng—nước—nên chúng có thể mở rộng quy mô, bền vững và an toàn.
Các loại pin dòng chảy thương mại trưởng thành nhất dựa trên ion vanadi, giống như lithium, đắt tiền và khó tìm. Tuy nhiên, một phiên bản khác của các loại pin dòng chảy này dựa trên bromide, một loại ion rẻ tiền, có sẵn rộng rãi và có hiệu suất tương tự như vanadi—ít nhất là trên lý thuyết.
Tuy nhiên, trên thực tế, các ion bromua nhỏ gây ra đủ loại vấn đề trong pin dòng chảy. Chúng có thể đi qua màng ngăn cách các điện cực và làm giảm hiệu suất của pin. Đôi khi các ion kết tủa ra khỏi chất điện phân và tạo thành một loại dầu hỗn độn "chìm" xuống đáy dung dịch. Thỉnh thoảng, các ion cũng tạo thành khí brom độc hại. Những vấn đề này cản trở hiệu suất thực tế và độ tin cậy.
Một chất phụ gia được gọi là tác nhân tạo phức có thể giúp ích. Choi bắt đầu tìm kiếm một chất phụ gia giúp tăng cường hiệu suất của pin dòng chảy nước bromide. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết kế phân tử để chế tạo hơn 500 phân tử hữu cơ ứng cử viên mà họ gọi là "chất bẫy zwitterionic mềm-cứng". Họ đã tổng hợp và thử nghiệm 13 trong số các phân tử tiêu biểu này làm chất phụ gia tiềm năng cho pin bromide.
Các chất phụ gia đa chức năng thu được giải quyết các vấn đề chính của pin dòng chảy. Nó bao bọc các ion bromide trong khi vẫn cho phép chúng hòa tan trong nước và vì phức hợp thu được hiện lớn hơn nên chúng không thể đi qua màng. Các ion cũng "ổn định pha", nghĩa là chúng không tách ra khỏi chất điện phân nước hoặc tạo ra khí brom độc hại.
Quan trọng là, các chất phụ gia cải thiện đáng kể hiệu suất của pin dòng chảy, tăng hiệu quả và tuổi thọ của hệ thống hóa học. "Các thiết bị của chúng tôi có chất phụ gia hoạt động mà không bị phân hủy trong gần hai tháng so với các thiết bị không có chất phụ gia, thường hỏng trong vòng một ngày", Feng nói. "Điều này rất quan trọng vì đối với lưu trữ năng lượng xanh, bạn muốn sử dụng nó trong 10 hoặc 20 năm".
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch tiếp tục cải tiến công trình. Choi sẽ nghiên cứu khoa học cơ bản đằng sau các chất phụ gia cho pin dòng chảy bromide và iodide, trong khi Sullivan, giám đốc điều hành của Flux XII—một công ty năng lượng tái tạo mà ông đồng sáng lập với Feng—sẽ khám phá khả năng thương mại của chất phụ gia, vốn đã được sản xuất thành công trong các phản ứng quy mô công nghiệp hàng tấn.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
