Pin hydro mới có thể hoạt động ở nhiệt độ lạnh gấp bốn lần so với trước đây — nghĩa là pin EV đặc hơn và bền hơn.
Việc có thể lưu trữ hydro ở nhiệt độ 194 °F (87,5°C) có thể thay đổi đáng kể việc sử dụng nó làm nguồn năng lượng.
Pin hydro có thể nắm giữ tương lai của năng lượng xanh. (Nguồn ảnh: peterschreiber.media/Shutterstock)
Những chiếc xe điện trong tương lai có thể loại bỏ pin lithium-ion, nhờ một bước đột phá mới trong việc lưu trữ năng lượng hydro ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với trước đây.
Các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Tokyo đã tạo ra một loại pin hydro sử dụng magie hydride làm cực dương và khí hydro làm cực âm, cùng với chất điện phân thể rắn có cấu trúc tinh thể.
Trong một nghiên cứu được công bố ngày 18 tháng 9 trên tạp chí Science, các nhà khoa học lưu ý rằng loại pin này có thể hoạt động ở nhiệt độ 194 độ F (90 độ C), thay vì nhiệt độ hoạt động 572-752 độ F (300-400 độ C) cần thiết cho các phương pháp lưu trữ hydro thể rắn hiện nay.
"Những đặc tính này của pin lưu trữ hydro của chúng tôi trước đây không thể đạt được thông qua các phương pháp nhiệt thông thường hoặc chất điện phân lỏng, tạo nền tảng cho các hệ thống lưu trữ hydro hiệu quả, phù hợp để sử dụng làm chất mang năng lượng", tác giả chính của nghiên cứu, Takashi Hirose, phó giáo sư tại Viện Nghiên cứu Hóa học (ICR) của Đại học Kyoto, cho biết trong một tuyên bố.
Pin hydro với các thành phần thể rắn đã tồn tại, cũng như pin nhiên liệu hydro. Tuy nhiên, loại pin trước đòi hỏi nhiệt độ hoạt động cao trong khi loại sau gặp khó khăn trong việc đạt hiệu suất như pin lithium-ion, cũng như gặp khó khăn trong việc lưu trữ khí hydro dưới áp suất cao. Nhưng với loại pin hydro mới này, các nhà khoa học đã đạt được dung lượng lưu trữ lý thuyết đầy đủ của cực dương MgH2 và độ dẫn ion cao ở nhiệt độ phòng.
Nền tảng vững chắc
Cốt lõi của pin hydro này nằm ở chất điện phân rắn. Được tạo thành từ bari, canxi và natri hydrua, chất điện phân có cấu trúc giống tinh thể, mang lại cả độ ổn định điện hóa cao và độ dẫn ion cao, đặc biệt là đối với các ion hydro, ở nhiệt độ tương đối thấp.
Về mặt hoạt động, pin hoạt động khá giống pin lithium-ion, ngoại trừ việc thay vì các ion tích điện dương di chuyển qua chất điện phân, loại pin mới này sử dụng các ion hydride mang điện tích âm và có thể đi qua cấu trúc tinh thể của nó.
Khi cung cấp năng lượng (xả), khí hydro ở catốt trải qua phản ứng hóa học khử thành các ion hydride di chuyển qua chất điện phân đến anot magie, tại đây chúng bị oxy hóa tạo thành MgH2. Ở trạng thái này, các phản ứng oxy hóa khử (oxy hóa khử) diễn ra, khiến anot tích điện âm mất electron. Các electron này chạy qua một mạch ngoài đến catốt, lúc này catốt có điện tích dương ròng — và nhờ đó, cung cấp năng lượng cho các thiết bị hoặc hệ thống được kết nối.
Điều ngược lại xảy ra khi sạc, với nguồn điện bên ngoài kích hoạt quá trình oxy hóa khử. Ở đây, anot MgH2 giải phóng các ion hydride đi qua điện cực để sau đó bị oxy hóa tại điện cực hydro tạo thành khí hydro. Như vậy, các electron sẽ chạy từ điện cực H2 sang điện cực Mg cho đến khi phản ứng khử không thể xảy ra nữa, nghĩa là pin đã được sạc đầy.
Với thiết kế pin này, khí hydro có thể được lưu trữ và giải phóng trong một cell pin thể rắn theo yêu cầu, với dung lượng 2.030mAh mỗi gam (để tham khảo, pin lithium-ion thường có dung lượng từ 154 đến 203mAh mỗi gam, trong khi một số điện thoại tốt nhất có dung lượng pin lithium-ion lên tới 5.000mAh cho toàn bộ cell pin).
Mặc dù nhiệt độ hoạt động chỉ thấp hơn một chút so với điểm sôi của nước, nghĩa là loại pin này chưa sẵn sàng để sử dụng trong các thiết bị điện tử hàng ngày như điện thoại thông minh hoặc máy tính xách tay, nhưng nó có tiềm năng mở đường cho việc lưu trữ hydro hiệu quả hơn và dễ dàng hơn. Điều này, đến lượt nó, có thể khiến xe điện sử dụng pin hydro thay vì pin lithium-ion, vốn nặng và dễ bị xuống cấp cũng như hiệu suất giảm dần theo thời gian sử dụng.
Việc lưu trữ hydro tốt hơn mà không cần hệ thống áp suất cao, làm mát cực độ hay nhiệt độ vận hành cao có thể mở ra triển vọng sử dụng hydro như một nguồn năng lượng xanh. Lý do là vì nó có thể tạo ra lượng khí thải carbon thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch và các hệ thống điện chạy bằng hydro hiện tại.
Hydro thường được coi là một trong những cách chuyển đổi sang năng lượng xanh, mặc dù việc sản xuất, lưu trữ và sử dụng hydro trong các hệ thống cung cấp điện vẫn còn là một lĩnh vực nhỏ. Nếu được mở rộng quy mô và đưa vào sản xuất, bước đột phá về pin này có thể tiếp tục thúc đẩy hydro trở thành nhiên liệu của tương lai.
