Một nhóm nghiên cứu tại Viện nghiên cứu kim loại thuộc Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc vừa phát triển công nghệ pin dòng chảy “toàn sắt” tiên tiến. Đặc biệt, chất điện phân mới này, cho phép thực hiện hàng nghìn chu kỳ sạc-xả. Công trình này giải quyết các vấn đề tồn tại lâu nay về sự xuống cấp và rò rỉ vật liệu, bằng cách tái cấu trúc phức hợp sắt ở cấp độ phân tử.
Sự chênh lệch giá cao giữa các nguyên liệu thô là động lực chính của công trình này. Giá lithium hiện đang được giao dịch cao hơn sắt đến 80 lần. Khoảng cách giá chênh lệch lớn này khiến pin dòng chảy dựa trên sắt trở thành lựa chọn khả thi để khắc phục các hạn chế về nguồn cung trong quá trình toàn cầu chuyển đổi sang năng lượng xanh.
Các chuyên gia hy vọng, việc thay thế lithium đắt đỏ và khan hiếm bằng sắt, nguồn tài nguyên dồi dào trong tự nhiên, sẽ giúp việc lưu trữ năng lượng tái tạo ở quy mô lưới điện trở nên khả thi về mặt tài chính và ổn định nguồn cung cấp điện khi điện mặt trời và điện gió không khả dụng.
Pin dòng chảy “toàn sắt” có tiềm năng rất lớn nhờ sử dụng vật liệu sắt rẻ và dồi dào, cùng chất điện phân gốc nước an toàn. Tuy nhiên, con đường đưa hệ thống pin này ra thị trường gặp khó khăn bởi sự không ổn định về mặt kỹ thuật ở cực âm của pin.
Trong hệ thống pin này, vật liệu hoạt tính có xu hướng bị phân hủy và rò rỉ qua màng, điều làm cho pin hao mòn nhanh chóng và hạn chế tuổi thọ thực tế của pin. Để khắc phục trở ngại này, nhóm nghiên cứu Trung Quốc sử dụng “thiết kế phối hợp” ở cấp độ phân tử, chế tạo một phức hợp sắt chuyên dụng, đóng vai trò như lớp bảo vệ kép.
Phân tử này sử dụng cấu trúc cứng nhắc, cồng kềnh của nó để bảo vệ lõi sắt khỏi sự phân hủy hóa học, trong khi điện tích âm mạnh của nó tạo ra một trường lực đẩy lùi các hạt rò rỉ. Các cơ chế này kết hợp cùng nhau, ngăn vật liệu hoạt tính của pin không bị phân hủy hoặc thoát ra ngoài qua màng, từ đó đảm bảo tính ổn định lâu dài.
Nguyên mẫu pin này đã chứng minh độ bền bỉ, duy trì cấu trúc ổn định và khả năng đảo ngược hoàn hảo trong hơn 6.000 chu kỳ, tương đương với hơn 16 năm hoạt động hằng ngày, mà không hề suy giảm dung lượng lưu trữ.
Trong suốt thời gian này, hệ thống không tạo ra sản phẩm phụ độc hại hoặc cặn bẩn, đồng thời đạt hiệu quả chống rò rỉ 99,4%. Ngay cả ở công suất đầu ra cao, hệ thống vẫn duy trì 78,5% hiệu suất năng lượng, chứng tỏ thiết kế này vừa đáng tin cậy, vừa bền bỉ. Thiết kế mới này cũng vượt trội các hệ thống thông thường nhờ giảm thiểu rò rỉ vật liệu hoạt tính.
Tuổi thọ kéo dài của hệ thống pin này là bước đột phá đối với hệ thống lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện, vì nó đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và giúp giảm chi phí trong dài hạn, điều cần thiết để làm cho năng lượng tái tạo trở nên hợp lý về chi phí. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
