Các nhà nghiên cứu tại Viện vật lý hóa học Dalian (DICP) ở Trung Quốc đã đạt được bước đột phá lớn trong việc khắc phục các hạn chế của pin kim loại kẽm-nước (AZMB), cho phép pin đạt được 1.700 chu kỳ hoạt động trên phạm vi nhiệt độ rất rộng.
Việc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió đã làm tăng nhu cầu về các giải pháp lưu trữ năng lượng. Pin lithium-ion (LIB) là giải pháp lưu trữ năng lượng có mật độ cao nhất mà chúng ta biết, đang được triển khai rộng rãi để đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng này.
Tuy nhiên, khi công suất năng lượng tái tạo được lắp đặt cao hơn và giá lithium tăng vọt, việc triển khai LIB ngày càng trở nên tốn kém. Thêm vào đó là rủi ro cháy nổ liên quan đến thành phần hóa học của pin. Điều này đã thúc đẩy việc tìm kiếm giải pháp thay thế tốt hơn, trong đó có pin AZMB.
Pin AZMB sử dụng dung dịch gốc nước, chứa muối kẽm, làm chất điện phân. Đây là lựa chọn có chi phí tương đối thấp, việc khai thác kẽm thân thiện với môi trường hơn so với khai thác lithium, và pin AZMB sản xuất an toàn hơn. Những yếu tố này khiến pin AZMB trở thành lựa chọn cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện.
Tuy nhiên, loại pin này chưa được triển khai thương mại do một số vấn đề về thành phần hóa học của chúng. Chất điện phân gốc nước dễ bị phân tách trong quá trình hoạt động, dẫn đến giải phóng khí hydro. Điều này gây ra ăn mòn cực dương và hòa tan vật liệu cực âm.
Một trở ngại khác đối với pin AZMB là các phản ứng phụ không thể kiểm soát, xảy ra khi nhiệt độ pin vượt quá 60°C. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng pin bị phồng và làm giảm hiệu suất, cũng như độ tin cậy.
Hơn nữa, sự lắng đọng kẽm không đồng đều trong quá trình sạc, dẫn đến sự hình thành các cấu trúc dạng sắc nhọn trên cực dương, gọi là dendrite. Điều này có thể làm giảm dung lượng sạc, đồng thời tăng nguy cơ đoản mạch bên trong pin, dẫn đến hỏng pin.
Các nhà nghiên cứu tại DICP đã phát triển một giải pháp đột phá, để giải quyết vấn đề này. Họ chế tạo ra chất điện phân “cát ẩm” đa pha dạng nước (MASSE), giúp tăng cường độ ổn định giao diện và khả năng đảo ngược điện hóa của AZMB.
Cấu trúc MASSE bao gồm việc cố định kép diethylene glycol và các hạt nano oxit nhôm, làm hạn chế hoạt động của nước tự do. Sự thiếu hụt nước trong MASSE cũng mang lại cho nó độ ổn định nhiệt vượt trội, đồng thời ngăn các phản ứng phụ do nước gây ra. Điều này cũng cho phép lắng đọng kẽm đồng đều ngay cả ở nhiệt độ cao, giảm nguy cơ hỏng pin.
Để chứng minh tính khả thi của MASSE, nhóm nghiên cứu chế tạo một pin Zn||PANI hoàn chỉnh và vận hành nó trong phạm vi nhiệt độ rộng từ nhiệt độ phòng đến 140°C. Các nhà nghiên cứu nhận thấy, pin có thể cung cấp mật độ dòng điện 8 ampe/gram và hoạt động được 1.700 chu kỳ.
Một loại pin dạng túi kẽm-kim loại sử dụng dung dịch nước do nhóm nghiên cứu phát triển, đã đạt được hơn 100 chu kỳ hoạt động ổn định ở 80 độ C, trong đó hình ảnh nhiệt xác nhận sự phân bố nhiệt độ đồng đều.
Chất điện phân MASSE không chỉ thúc đẩy sự phát triển pin dùng dung dịch điện phân nước hoạt động ở nhiệt độ cao, mà còn cung cấp phương pháp thiết kế chất điện phân tiên tiến cho các hệ thống lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo có khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Communications.
