Pin hydro giảm áp lực cho việc lưu trữ năng lượng sạch
Nguồn: © Sergey Klopotov/Shutterstock
Hiện nay, việc lưu trữ hydro khó hơn nhiều so với năng lượng điện hóa, nghĩa là việc chuyển đổi năng lượng tái tạo thành nguồn năng lượng có thể sử dụng khi trời không nắng hoặc không có gió vẫn còn khó khăn. Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu Nhật Bản cho rằng họ đã đạt được tiến bộ trong việc hướng tới mục tiêu này.
Hydro mang lại nhiều lợi thế cho việc lưu trữ năng lượng sạch, nhưng việc lưu trữ nó thường đòi hỏi áp suất lớn hoặc nhiệt độ cao, hoặc cả hai. Để tránh áp suất cực lớn cần thiết để lưu trữ hydro tinh khiết với thể tích vừa phải, các nhà nghiên cứu đã xem xét các hợp chất hydro. Tuy nhiên, cho đến nay, các phương pháp này đã gặp phải một loạt vấn đề, từ nhiệt độ vận hành cao làm giảm hiệu suất năng lượng và độ ổn định của thiết bị cho đến khả năng lưu trữ hydro thấp. Giờ đây, các nhà nghiên cứu do Naoki Matsui và Ryoji Kanno tại Viện Khoa học Tokyo, Nhật Bản dẫn đầu đã phát triển một chất điện phân cho phép lưu trữ hydro hiệu suất cao.
Hiện tại, có hai phương pháp chính để lưu trữ hydro thể rắn. Phương pháp được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn là "nhiệt động lực học", theo đó một số hợp kim hấp thụ hydro và tạo thành các hợp chất hydro sau đó phân hủy và giải phóng hydro ở nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, trong khi một số hydride kim loại nguyên tố nhẹ, chẳng hạn như MgH2 và LiH có khả năng lưu trữ hydro cao, thì cần nhiệt độ khoảng 300°C để giải phóng hydro. Một phương pháp tiếp cận thay thế có nguồn gốc từ công trình của Robert Huggins thuộc Đại học Stanford, người đã đề xuất vào năm 1985 rằng các ion hydride có thể được đưa vào kim loại bằng phương pháp điện hóa bằng cách sử dụng chất điện phân lỏng và điện áp được áp dụng. Tuy nhiên, một lần nữa, phương pháp này lại gặp khó khăn do nhiệt độ cao. Những tiến bộ gần đây trong chất điện phân thể rắn có thể cung cấp một giải pháp khắc phục điều này nếu đạt được độ dẫn ion và độ ổn định phù hợp ở nhiệt độ thấp hơn.
"Khi chúng tôi phát triển các chất dẫn ion thể rắn có khả năng vận chuyển các ion hydride, chúng tôi nhận thấy tiềm năng ứng dụng những vật liệu này vào quá trình lưu trữ hydro điện hóa dựa trên hydride", Matsui và Kanno chia sẻ với Chemistry World qua email. Họ đã ghi nhận các báo cáo về độ dẫn điện siêu ion bằng cách kết hợp các ion có kích thước khác nhau, và khi theo đuổi một phương pháp tương tự, họ đã tìm ra một hợp chất kết hợp các ion bari, canxi và natri: BaH2–CaH2–NaH.
Các thí nghiệm ban đầu đã sử dụng chất điện phân trong một hệ thống thử nghiệm được kẹp giữa các bộ thu dòng điện molypden và phụ gia dẫn điện đen axetilen, cùng với các điện cực tham chiếu TiH2 và titan. Thiết lập này cho phép họ xác định cửa sổ thế ổn định của chất điện phân rắn và Matsui và Kanno cho biết đây là kết quả tốt nhất từng được báo cáo.
Nguồn: © Viện Khoa học Tokyo
Chất điện phân rắn cho lưu trữ hydro ở nhiệt độ thấp
Ý chính:
-
Magie (Mg) là vật liệu lưu trữ hydro (H₂) tiềm năng vì có dung lượng lưu trữ cao (~7,6% trọng lượng).
-
Tuy nhiên, việc ứng dụng thực tế bị hạn chế vì cần nhiệt độ vận hành rất cao (>300°C).
Giải pháp mới: Pin Mg–H₂ với chất điện phân rắn dẫn ion hydride (H⁻)
Công thức: Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅
-
Nguyên lý hoạt động:
-
Trong quá trình xả (hấp thụ H₂): Mg kết hợp với H₂ tạo MgH₂.
-
Trong quá trình nạp (giải phóng H₂): MgH₂ giải phóng H₂ và tái tạo Mg.
-
-
Cấu trúc tinh thể loại Anti-α-AgI giúp ion H⁻ di chuyển trong mạng 3D (tứ diện–bát diện), đảm bảo dẫn ion hiệu quả.
Kết quả nổi bật
-
Đạt dung lượng lưu trữ hydro Mg/MgH₂ đầy đủ (7,6 wt.% ~ 23.030 mAh g⁻¹).
-
Khả năng lưu trữ có thể đảo ngược ở 90°C (thấp hơn nhiều so với 300°C).
-
Độ dẫn ion cao (2,1×10⁻³ S cm⁻¹ ở nhiệt độ phòng).
-
Độ ổn định điện hóa cao (0,13 – 0,53 V so với Ti/TiH₂).
-
Đường dẫn ion linh hoạt trong cấu trúc 3D giúp tăng hiệu suất dẫn H⁻.
Kết luận
Các tế bào Mg–H₂ sử dụng chất điện phân rắn dẫn H⁻ (Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅) mang lại giải pháp an toàn và hiệu quả cho lưu trữ hydro ở nhiệt độ thấp.
Nguồn: Hirose et al. (2025) | Science – Viện Khoa học Tokyo
Họ cũng báo cáo về độ dẫn điện ion hydride cao bất thường, mà họ cho là do cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối (bcc) của chất điện phân thể rắn. Họ giải thích: "Rào cản năng lượng cho sự dẫn điện ion chủ yếu được xác định bởi các tương tác với khung xung quanh". Cấu trúc bcc có mật độ đóng gói thấp hơn so với các cấu trúc thông thường khác, "tạo ra một con đường mở cho sự vận chuyển ion". Họ cũng chỉ ra rằng các cation có khả năng phân cực cao trong khung góp phần tạo nên độ dẫn ion cao, vì điều này làm giảm lực đẩy giữa các cation và các ion hydride di chuyển qua.
Để kiểm tra trực tiếp khả năng lưu trữ hydro, họ đã chế tạo một pin với anot magie hydride và catot LaHx. Với thiết lập này hoạt động ở 90°C và điện thế áp dụng là 0,12V, họ đã có thể chứng minh được dung lượng lý thuyết của MgH2 trong năm chu kỳ.
'Bài báo này, chứng minh khả năng mới của "lưu trữ hydro thông qua các phản ứng điện hóa", là một cột mốc quan trọng,' Genki Kobayashi, một nhà hóa học vô cơ tại RIKEN ở Nhật Bản, người không trực tiếp tham gia vào nghiên cứu, cho biết. Tôi tin rằng công trình này đánh dấu một bước ngoặt, và tôi mong đợi những tiến bộ hơn nữa trong việc tạo ra các thiết bị mới sử dụng hydride.
Tiếp theo, Matsui và Kanno dự định tập trung nghiên cứu trong tương lai vào việc phát triển chất điện phân rắn và vật liệu điện cực có độ dẫn ion cao hơn, cùng với các thiết kế thiết bị có nhiệt độ hoạt động thấp hơn và hiệu suất năng lượng được cải thiện.
Tài liệu tham khảo
T Hirose và cộng sự, Science, 2025, 389, 1252 (DOI: 10.1126/science.adw1996)
