Công nghệ Pin lithium-ion chiếm ưu thế trên thị trường, nhưng tính phù hợp của nó đối với việc lưu trữ năng lượng lưới điện quy mô lớn bị hạn chế bởi những lo ngại về an toàn với các vật liệu dễ bay hơi bên trong.

Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Tianyi Ma cho biết “pin nước” của họ là thiết bị lưu trữ năng lượng nước mới nổi, với những đột phá giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và tuổi thọ của công nghệ.

Tianyi Ma, cho biết: “Những gì chúng tôi thiết kế và sản xuất được gọi là pin ion kim loại chứa nước – hoặc chúng tôi có thể gọi chúng là pin nước”.

Nhóm nghiên cứu sử dụng nước để thay thế các chất điện phân hữu cơ – cho phép dòng điện chạy giữa cực dương và cực âm – nghĩa là pin của họ không thể bắt lửa hoặc nổ – không giống như pin lithium-ion.

Tianyi Ma cho biết: “Để giải quyết những thách thức về việc xử lý khi hết tuổi thọ mà người tiêu dùng, ngành công nghiệp và chính phủ trên toàn cầu phải đối mặt bằng công nghệ lưu trữ năng lượng hiện tại, pin của chúng tôi có thể được tháo rời một cách an toàn và các vật liệu có thể được tái sử dụng hoặc tái chế”.

Ông cho biết, sự đơn giản trong quy trình sản xuất pin nước của họ đã giúp việc sản xuất hàng loạt trở nên khả thi.

“Chúng tôi sử dụng các vật liệu như magie và kẽm có nhiều trong tự nhiên, rẻ tiền và ít độc hại hơn so với các vật liệu thay thế được sử dụng trong các loại pin khác, giúp giảm chi phí sản xuất và giảm rủi ro đối với sức khỏe con người và môi trường.”

Tiềm năng lưu trữ năng lượng và vòng đời là gì?

Nhóm đã chế tạo một loạt pin thử nghiệm quy mô nhỏ cho nhiều nghiên cứu được xét duyệt nhằm giải quyết các thách thức công nghệ khác nhau, bao gồm tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng và tuổi thọ.

Trong công trình mới nhất của họ, được xuất bản trên tạp chí Advanced Materials , họ đã vượt qua được một thách thức lớn – sự phát triển của các sợi nhánh gây rối loạn, là những dạng kim loại có gai nhọn có thể dẫn đến đoản mạch và các lỗi nghiêm trọng khác.

Nhóm nghiên cứu đã phủ các bộ phận pin bị ảnh hưởng bằng một kim loại gọi là bismuth và oxit của nó (còn gọi là rỉ sét) như một lớp bảo vệ ngăn chặn sự hình thành dendrite.

Kết quả?

“Pin của chúng tôi giờ đây có tuổi thọ dài hơn đáng kể - có thể so sánh với pin lithium-ion thương mại trên thị trường - khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng ở cường độ cao và tốc độ cao trong các ứng dụng thực tế. Với công suất ấn tượng và tuổi thọ kéo dài, chúng tôi không chỉ có công nghệ pin tiên tiến mà còn tích hợp thành công thiết kế của chúng tôi với các tấm pin mặt trời, cho thấy khả năng lưu trữ năng lượng tái tạo hiệu quả và ổn định.”

Pin nước của nhóm đang thu hẹp khoảng cách với công nghệ lithium-ion về mật độ năng lượng, với mục đích sử dụng ít không gian trên mỗi đơn vị năng lượng nhất có thể. “Gần đây, chúng tôi đã chế tạo được pin nước magie-ion có mật độ năng lượng 75 watt-giờ/kg (Wh kg-1) – cao hơn tới 30% so với pin ô tô Tesla mới nhất.”

“Bước tiếp theo là tăng mật độ năng lượng của pin nước bằng cách phát triển vật liệu nano mới làm vật liệu điện cực.”

Tiany Ma cho biết magie có thể sẽ là vật liệu được lựa chọn cho pin nước trong tương lai. “Pin nước magiê-ion có tiềm năng thay thế pin axit chì trong thời gian ngắn - từ 1 đến 3 năm và có thể thay thế pin lithium-ion trong dài hạn - từ 5 đến 10 năm. Magiê nhẹ hơn các kim loại thay thế, bao gồm kẽm và niken, có mật độ năng lượng tiềm năng lớn hơn và sẽ giúp pin có thời gian sạc nhanh hơn cũng như khả năng hỗ trợ tốt hơn cho các thiết bị và ứng dụng ngốn điện.”

Ứng dụng tiềm năng

Ma cho biết pin của nhóm rất phù hợp cho các ứng dụng quy mô lớn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc lưu trữ trên lưới và tích hợp năng lượng tái tạo – đặc biệt là về mặt an toàn.

“Khi công nghệ của chúng tôi tiến bộ, các loại ứng dụng lưu trữ năng lượng quy mô nhỏ hơn như cung cấp năng lượng cho ngôi nhà và thiết bị giải trí của mọi người có thể trở thành hiện thực.”