Một trong những thách thức lớn nhất của năng lượng mặt trời là vấn đề lưu trữ sau khi mặt trời lặn. Các hệ thống hiện nay thường chuyển đổi ánh sáng thành điện năng rồi lưu trữ bằng pin hóa học. Tuy nhiên, pin thường cồng kềnh, tốn kém và gây thất thoát năng lượng trong quá trình chuyển đổi giữa điện năng và hóa năng. Nhóm nghiên cứu tại UCSB đã phát triển một vật liệu mới giúp lưu trữ trực tiếp năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt mà không cần pin, dựa trên công nghệ lưu trữ năng lượng mặt trời phân tử (MOST).

Giải pháp của nhóm sử dụng dung dịch chứa các phân tử pyrimidone biến đổi quang học. Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, mỗi phân tử trải qua sự thay đổi cấu trúc thuận nghịch, chuyển từ trạng thái năng lượng thấp sang dạng Dewar năng lượng cao bị “xoắn”. Có thể hình dung mỗi phân tử như một lò xo siêu nhỏ: ánh sáng mặt trời “vặn xoắn” lò xo này và giữ nó ở trạng thái giàu năng lượng trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm mà không bị thất thoát đáng kể. Khi có tác nhân kích hoạt như nhiệt hoặc axit, phân tử trở lại cấu trúc ban đầu và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.

Cơ chế này có thể lặp lại nhiều lần mà không làm suy giảm cấu trúc phân tử, tạo nên hệ thống tái sử dụng bền vững. Đáng chú ý, trong thử nghiệm, đồng phân Dewar giải phóng đủ nhiệt để đun sôi khoảng 0,5 ml nước ở điều kiện môi trường, chứng minh mật độ năng lượng cao của hệ thống. Phân tử Dewar pyrimidone có thời gian bán rã tính toán lên tới 481 ngày ở nhiệt độ phòng, cho phép lưu trữ năng lượng dài hạn.

So với các hệ MOST trước đây như hệ azobenzene hay dihydroazulene/vinylheptafulvene, công nghệ Dewar pyrimidone được đánh giá là đạt mức khả thi thực tiễn cao hơn. Hệ dung dịch này đạt mật độ năng lượng khoảng 1,6 MJ/kg, gần gấp đôi pin lithium-ion tiêu chuẩn (~0,9 MJ/kg), đồng thời loại bỏ bước chuyển đổi qua điện năng như pin truyền thống.

Vì tồn tại dưới dạng dung dịch, hệ thống có thể mở rộng quy mô dễ dàng bằng cách tăng thể tích chất lỏng. Dung dịch có thể bơm, vận chuyển và lưu trữ bằng hệ thống ống dẫn thông thường. Trong một kịch bản ứng dụng, bộ thu năng lượng mặt trời trên mái nhà sẽ tuần hoàn dung dịch MOST, “sạc” các phân tử vào ban ngày. Chất lỏng giàu năng lượng được lưu trữ trong bể cách nhiệt và khi cần, được dẫn qua bộ phản ứng để giải phóng nhiệt phục vụ nước nóng, nấu ăn hoặc sưởi ấm, sau đó quay lại trạng thái ban đầu để tiếp tục chu trình.

Công nghệ này cũng mở ra khả năng lưu trữ năng lượng theo mùa, tích trữ vào mùa hè và sử dụng vào mùa đông. Ngoài ra, dung dịch Dewar pyrimidone có thể tích hợp với máy phát nhiệt điện hoặc chu trình nhiệt động lực học để tạo ra điện năng. Sự hợp tác giữa UCSB và nhóm nghiên cứu của Grace Han đã tạo ra một nền tảng lưu trữ năng lượng linh hoạt, hiệu suất cao và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai năng lượng tái tạo.