Các hệ thống điện gió và năng lượng mặt trời đang được xây dựng ngày càng nhiều trên khắp thế giới, nhu cầu có các hệ thống lưu trữ điện dự phòng quy mô vừa và nhỏ, chi phí thấp để cung cấp năng lượng khi gió lặng và mặt trời lặn ngày càng tăng. Pin lithium-ion hiện nay quá đắt đối với hầu hết những ứng dụng như vậy. Các giải pháp khác như thủy điện bơm cần có địa hình cụ thể, không phải lúc nào cũng có sẵn.

Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) hiện đang phát triển một loại pin mới, được chế tạo hoàn toàn từ những vật liệu phong phú và rẻ tiền, có thể giải quyết vấn đề này.

Kiến trúc của pin lưu trữ điện năng tái tạo, sử dụng nhôm và lưu huỳnh làm vật liệu cho 2 điện cực, chất điện phân muối nóng chảy ở giữa được nhóm nghiên cứu MIT giới thiệu ngày 24/8/2022 trên tạp chí Nature. Công trình khoa học do GS Donald Sadoway và 15 nhà khoa học khác tại MIT và từ Trung Quốc, Canada, Kentucky, Tennessee thực hiện.

Sadoway, GS danh dự Hóa vật liệu của John F. Elliott giải thích: “Chúng tôi muốn phát minh ra pin tốt hơn so với pin lithium-ion để lưu trữ cố định ở quy mô vừa và nhỏ, cũng có thể trang bị cho ô tô.”

Pin lithium-ion có giá thành cao, chứa chất điện phân dễ gây cháy nổ và không phù hợp cho lưu trữ điện dung lượng lớn. GS Sadoway nỗ lực nghiên cứu bảng tuần hoàn, tìm kiếm những kim loại rẻ tiền, có nhiều trên Trái đất để thay thế cho lithium.

Theo ông, sắt, kim loại chiếm ưu thế về thương mại những không có những đặc tính điện hóa phù hợp cho pin. Kim loại phong phú thứ hai trên thị trường và thực sự là kim loại phong phú nhất trên Trái đất là nhôm. Đó cũng là lựa chọn của nhóm nghiên cứu do GS Sadoway lãnh đạo cho vật liệu của điện cực thứ nhất.

Ba thành phần chính của pin là: nhôm (trái), lưu huỳnh (giữa) và tinh thể muối mỏ (phải). Đây là những nguyên liệu dồi dào trên Trái đất, không yêu cầu chuỗi cung ứng toàn cầu. Ảnh: Rebecca Miller

Rẻ nhất trong số các phi kim loại là lưu huỳnh, được lựa chọn là vật liệu cho điện cực thứ hai.

Đối với chất điện phân, các nhà khoa học không sử dụng các chất lỏng hữu cơ dễ bay hơi, dễ gây hỏa hoạn. Nhóm nghiên cứu thử nghiệm một số polymer và tìm ra một số loại muối nóng chảy có điểm nóng chảy tương đối thấp, gần với nhiệt độ sôi của nước. Những muối này có nhiệt độ thấp do đó khi chế tạo pin không cần các biện pháp cách nhiệt và chống ăn mòn đặc biệt. Những thành phần của pin đều rẻ và sẵn có, an toàn đối với nguy cơ cháy nổ.

Trong các thí nghiệm, các tế bào pin nhôm – lưu huỳnh có thể chịu đựng hàng trăm chu kỳ sạc xả với tốc độ sạc đặc biệt cao, chi phí dự kiến ​​cho mỗi tế bào pin chỉ bằng khoảng 1/6 so với các tế bào pin lithium-ion tương đương. Tốc độ sạc phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ làm việc. Ở nhiệt độ 110oC (230 độ F), tốc độ sạc nhanh hơn 25 lần so với 25o C (77 độ F).

Chất điện phân muối nóng chảy có một lợi thế ngẫu nhiên. Một trong những vấn đề lớn nhất về độ ổn định của pin là sự hình thành các đuôi gai, những gai kim loại hẹp tích tụ trên một điện cực, phát triển ngang qua chất điện phận tiếp xúc với điện cực kia, gây ra đoản mạch và phá hủy pin, làm sụt giảm nhanh chóng hiệu suất hoạt động. Nhưng loại muối đặc biệt này có khả năng ngăn ngừa sự hình thành đuôi gai.

Loại muối chloro-aluminat được chọn về cơ bản loại bỏ những đuôi gai, đồng thời cho phép sạc rất nhanh, GS Sadoway cho biết. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thử nghiệm với tốc độ sạc rất cao, trong vòng chưa đầy 1 phút và chưa bao giờ bị hỏng tế bào pin do sự xuất hiện của gai kim loại.

Pin nhôm – lưu huỳnh không cần nguồn nhiệt bên ngoài để duy trì nhiệt độ hoạt động. Nhiệt được tạo ra tự nhiên theo phương pháp điện hóa do quá trình sạc và phóng điện của pin. Khi sạc pin sẽ gia tăng nhiệt, muối không bị đông lại. khi phóng điện tạo ra nhiệt. Phương thức hoạt động này rất hiệu quả khi sử dụng pin để lưu trữ năng lượng tái tạo. Khi dư thừa, điện được lưu trữ trong pin nhôm – lưu huỳnh và điện được xả khi trời tối. Quy trình này diễn ra liên tục hàng ngày và luôn luôn gia nhiệt để giữ cho chất điện phân – muối nóng chảy luôn ở thể lỏng.

Theo GS Sadoway, cấu trúc pin mới rất lý tưởng trong hệ thống điện mặt trời, cung cấp năng lượng cho một gia đình hoặc doanh nghiệp vừa và nhỏ, sản xuất điện với dung lượng lưu trữ vài chục kilowatt giờ.

Đối với cơ sở sản xuất điện lớn với quy mô hàng chục đến hàng trăm megawatt giờ, đã có các công nghệ khác hiệu quả hơn như pin kim loại lỏng mà GS Sadoway và các sinh viên phát triển vài năm trước, thiết lập một công ty spinoff có tên là Ambri để cung cấp các sản phẩm đầu tiên trong năm 2023. Bằng phát minh này, Sadoway được trao Giải thưởng Nhà phát minh Châu Âu năm 2022.