Pin kẽm-iốt mở thêm lựa chọn cho năng lượng tái tạo

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Flinders (Australia) đã phát triển một thiết kế pin kẽm-iốt dạng nước có thể hoạt động hơn 60.000 chu kỳ và sạc trong khoảng 3 phút ở một cấu hình thử nghiệm. Kết quả mở ra hướng tiếp cận đáng chú ý cho các hệ thống lưu trữ năng lượng cần độ an toàn và tuổi thọ cao.

Công nghệ polymer giúp ổn định phản ứng trong pin

Công trình của nhóm nghiên cứu Đại học Flinders, công bố trên Angewandte Chemie International Edition, tập trung xử lý một trong những điểm yếu lớn của pin kẽm-iốt dạng nước.

Trong quá trình sạc và xả, các ion polyiodide có thể hòa tan và di chuyển giữa các điện cực. Hiện tượng này gây thất thoát vật liệu hoạt tính, làm phát sinh phản ứng phụ và khiến hiệu suất pin suy giảm theo thời gian.

Để khắc phục, các nhà nghiên cứu sử dụng polycyclodextrin - một loại polymer được tạo từ β-cyclodextrin. Vật liệu này hoạt động như một dạng “chiếc lồng phân tử”, giúp giữ các polyhalide trong mạng polymer và hạn chế chúng dịch chuyển tự do trong pin.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, ở cấu hình lưu trữ 4 electron, pin đạt hơn 60.000 chu kỳ, dung lượng khoảng 150 mAh/g, với mức suy giảm chỉ khoảng 0,0003% mỗi chu kỳ.

Ở cấu hình 2 electron, dung lượng đạt khoảng 205 mAh/g và duy trì hơn 8.000 chu kỳ, với mức suy giảm khoảng 0,0001% mỗi chu kỳ.

Đây là những thông số đáng chú ý bởi tuổi thọ chu kỳ là một trong các yếu tố quyết định chi phí vận hành của hệ thống lưu trữ năng lượng.

Kết quả thử nghiệm cho thấy khả năng sạc-xả tốc độ cao

Pin kẽm-iốt mở thêm lựa chọn cho năng lượng tái tạo

Một điểm đáng chú ý khác là khả năng sạc nhanh. Trong một cấu hình thử nghiệm, pin có thể được sạc trong khoảng 3 phút.

Tuy nhiên, con số này cần được hiểu trong đúng bối cảnh nghiên cứu. Đây là kết quả trên nguyên mẫu và điều kiện thí nghiệm cụ thể, không đồng nghĩa smartphone, ô tô điện hoặc các bộ pin thương mại trong tương lai có thể sạc đầy chỉ trong vài phút.

Pin kẽm-iốt cũng có lợi thế về an toàn nhờ sử dụng chất điện phân dạng nước. So với nhiều hệ pin lithium-ion sử dụng dung môi hữu cơ, điện phân nước có nguy cơ cháy thấp hơn.

Nhưng xét về mật độ năng lượng, công nghệ này hiện chưa có đủ lợi thế để cạnh tranh trực tiếp với lithium-ion trong những thiết bị yêu cầu pin nhỏ gọn và tích trữ nhiều năng lượng.

Các nhà khoa học vẫn phải giải quyết một số thách thức như phản ứng của iốt diễn ra chậm, sự dịch chuyển của polyiodide, sự hình thành dendrite trên điện cực kẽm và các phản ứng phụ.

Tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng

Thay vì trở thành “kẻ thay thế” pin lithium-ion trong điện thoại hoặc xe điện, pin kẽm-iốt có thể phù hợp hơn với một thị trường khác: lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Trong các hệ thống tích trữ điện từ năng lượng mặt trời, điện gió hoặc hỗ trợ vận hành lưới điện, những yếu tố như độ an toàn, tuổi thọ, chi phí vật liệu và khả năng nạp-xả liên tục trong nhiều năm có thể quan trọng hơn kích thước nhỏ gọn.

Theo đó, ý nghĩa của mốc hơn 60.000 chu kỳ không nằm ở viễn cảnh một chiếc điện thoại “dùng pin cả đời”, mà ở khả năng kéo dài thời gian hoạt động của các hệ thống phải liên tục nạp và xả điện.

Nếu pin có thể duy trì hiệu suất qua hàng chục nghìn chu kỳ, chi phí thay thế và bảo trì hệ thống lưu trữ năng lượng có thể giảm đáng kể.

Những thách thức trước khi công nghệ được thương mại hóa

Dù kết quả nghiên cứu rất đáng chú ý, pin kẽm-iốt vẫn còn một chặng đường dài trước khi được thương mại hóa rộng rãi.

Các bước tiếp theo là chứng minh hiệu suất ở quy mô lớn hơn, cải thiện mật độ năng lượng, kiểm soát các phản ứng phụ và tối ưu chi phí sản xuất.

Đặc biệt, bài toán kiểm soát polyiodide shuttle - hiện tượng các ion polyiodide hòa tan và di chuyển giữa hai điện cực vẫn là một trong những nút thắt quan trọng của công nghệ.

Nghiên cứu mới của Đại học Flinders cho thấy việc sử dụng cấu trúc polymer để “giam giữ” các ion có thể là một hướng giải quyết hiệu quả. Tuy nhiên, khả năng áp dụng giải pháp này trên các hệ pin lớn và trong điều kiện vận hành thực tế vẫn cần thêm thời gian để kiểm chứng.

Nếu vượt qua được các rào cản về hiệu suất và chi phí, pin kẽm-iốt có thể trở thành một công nghệ bổ sung quan trọng cho hệ sinh thái năng lượng tái tạo không nhất thiết thay thế lithium-ion, nhưng đáp ứng tốt hơn những ứng dụng cần pin an toàn, bền và có khả năng nạp-xả trong thời gian dài.

Đình Tưởng