Thiết kế pin lai: Hệ thống lithium-hydro cung cấp mật độ năng lượng cao
của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc
Sơ đồ pin Li−H. (Ảnh của USTC). Tín dụng: CHEN Wei và cộng sự
Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã giới thiệu một hệ thống pin hóa học mới sử dụng khí hydro làm cực dương. Nghiên cứu của họ được công bố trên Angewandte Chemie International Edition.
Hydro (H2) đã thu hút sự chú ý như một chất mang năng lượng tái tạo ổn định và tiết kiệm chi phí do các đặc tính điện hóa thuận lợi của nó. Tuy nhiên, các loại pin hydro truyền thống chủ yếu sử dụng H2 làm cực âm, điều này hạn chế phạm vi điện áp của chúng ở mức 0,8–1,4 V và hạn chế khả năng lưu trữ năng lượng tổng thể của chúng.
Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp mới: sử dụng H2 làm cực dương để tăng đáng kể mật độ năng lượng và điện áp làm việc. Khi kết hợp với kim loại lithium làm cực dương, pin thể hiện hiệu suất điện hóa đặc biệt.
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống pin Li-H nguyên mẫu, kết hợp một cực dương kim loại lithium, một lớp khuếch tán khí phủ bạch kim đóng vai trò là cực âm hydro và một chất điện phân rắn (Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3, hay LATP). Cấu hình này cho phép vận chuyển ion lithium hiệu quả trong khi giảm thiểu các tương tác hóa học không mong muốn.
Qua thử nghiệm, pin Li-H đã chứng minh được mật độ năng lượng lý thuyết là 2825 Wh/kg, duy trì điện áp ổn định khoảng 3V. Ngoài ra, pin đạt được hiệu suất khứ hồi (RTE) đáng chú ý là 99,7%, cho thấy mức mất năng lượng tối thiểu trong các chu kỳ sạc và xả, đồng thời vẫn duy trì được tính ổn định lâu dài.
Để cải thiện hơn nữa hiệu quả về chi phí, tính an toàn và tính đơn giản trong sản xuất, nhóm đã phát triển một loại pin Li-H không có cực dương, loại bỏ nhu cầu về kim loại lithium được lắp đặt sẵn. Thay vào đó, pin lắng đọng lithium từ muối lithium (LiH2PO4 và LiOH) trong chất điện phân trong quá trình sạc.
Phiên bản này vẫn giữ nguyên những ưu điểm của pin Li-H tiêu chuẩn đồng thời mang đến những lợi ích bổ sung. Nó cho phép mạ và tách lithium hiệu quả với hiệu suất Coulombic (CE) là 98,5%. Hơn nữa, nó hoạt động ổn định ngay cả ở nồng độ hydro thấp, giúp giảm sự phụ thuộc vào lưu trữ H₂ áp suất cao. Mô hình tính toán, chẳng hạn như mô phỏng Lý thuyết hàm mật độ (DFT), đã được thực hiện để hiểu cách các ion lithium và hydro di chuyển trong chất điện phân của pin.
Bước đột phá này trong công nghệ pin Li-H mang đến những cơ hội mới cho các giải pháp lưu trữ năng lượng tiên tiến, với các ứng dụng tiềm năng trải dài trên lưới điện năng lượng tái tạo, xe điện và thậm chí cả công nghệ hàng không vũ trụ. So với pin niken-hydro thông thường, hệ thống Li-H mang lại mật độ năng lượng và hiệu quả được cải thiện, khiến nó trở thành ứng cử viên sáng giá cho giải pháp lưu trữ điện thế hệ tiếp theo. Phiên bản không có anot đặt nền tảng cho các loại pin dựa trên hydro có khả năng mở rộng và tiết kiệm chi phí hơn.
