Vào một buổi chiều hè nắng đẹp, turbine gió và tấm pin mặt trời có thể sản xuất lượng điện năng nhiều hơn mức sử dụng của hệ thống điện, nhưng vào những đêm đông lạnh giá cần đủ năng lượng tức thời thì ánh nắng mặt trời và gió lại khan hiếm.
Do đó, một trong những thách thức lớn nhất đối với năng lượng tái tạo là vấn đề thời gian. Khi nhu cầu cao điểm thì sản lượng lại thiếu, khi nhu cầu thấp điểm lại dư thừa. Việc lưu trữ lượng điện năng dư thừa đó trong thời gian dài, vẫn là một vấn đề lớn cho đến nay.
Các nhà hóa học tại Đại học Montréal, hợp tác với các đồng nghiệp tại Đại học Concordia, mới đây đã phát triển một phân tử hữu cơ mới, có khả năng lưu trữ năng lượng điện trong nhiều tháng mà hầu như không bị suy giảm.
Phân tử này, được gọi là AzoBiPy, giữ được điện tích với độ ổn định cao trong quá trình thử nghiệm kéo dài. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm AzoBiPy bên trong một pin dòng chảy oxy hóa khử trong 70 ngày. Trong suốt thời gian đó, phân tử này chỉ mất 0,02% dung lượng năng lượng mỗi ngày.
Đến cuối thí nghiệm, nó vẫn giữ được gần 99% lượng điện tích ban đầu. Ngoài ra, AzoBiPy có thể lưu trữ năng lượng gấp đôi so với nhiều phân tử hữu cơ tương tự và dễ dàng hòa tan trong nước, cả hai đều là những ưu điểm quan trọng đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
Mục tiêu của nghiên cứu này là giúp giải quyết vấn đề không liên tục của nguồn năng lượng tái tạo, làm hạn chế lượng điện mặt trời và điện gió có thể được tích hợp vào lưới điện. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí American Chemical Society.
Pin dòng chảy mang đến cách tiếp cận khác so với các loại pin quen thuộc trong điện thoại hoặc xe điện. Trong pin thông thường, năng lượng được lưu trữ trực tiếp bên trong các điện cực rắn. Ngược lại, pin dòng chảy oxy hóa khử lưu trữ năng lượng trong dung dịch lỏng chứa trong các bình chứa bên ngoài.
Trong pin dòng chảy, hai bình chứa dung dịch điện phân gốc nước có chứa các phân tử lưu trữ năng lượng. Chất lỏng này được bơm qua bộ pin trung tâm, nơi chúng trao đổi electron thông qua lớp màng mà không bị trộn lẫn. Bình càng lớn, hệ thống càng lưu trữ nhiều năng lượng, trong khi công suất đầu ra phụ thuộc vào kích thước của pin.
Sự tách biệt này làm cho pin dòng chảy trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, cố định. Các pin dòng chảy thương mại hiện nay thường dựa vào vanadium, kim loại có đặc tính điện hóa tuyệt vời nhưng nguồn cung hạn chế và giá thành cao.
Ngoài ra, tính ổn định từ lâu là điểm yếu của các phân tử hữu cơ trong pin dòng chảy. Nhiều phân tử bị suy giảm sau nhiều chu kỳ sạc. Nghiên cứu mới này thay thế các vật liệu gốc kim loại bằng các phân tử hữu cơ, được tạo ra từ các nguyên tố phổ biến như carbon, hydro, nitơ, oxy.
AzoBiPy thuộc nhóm các phân tử được thiết kế để vận chuyển electron hiệu quả trong khi vẫn duy trì tính ổn định hóa học. Một trong những đặc điểm quan trọng của AzoBiPy là khả năng trao đổi hai electron thay vì chỉ một. Điều này cho phép mỗi phân tử lưu trữ năng lượng gấp đôi, cải thiện đáng kể dung lượng pin.
Thí nghiệm cho thấy, AzoBiPy chịu được gần 200 chu kỳ sạc-xả đầy đủ, chỉ suy giảm tối thiểu. Các nhà nghiên cứu thậm chí đã trình diễn công nghệ này tại một sự kiện lễ hội, bằng cách thắp sáng đèn Giáng sinh trong 8 giờ bằng một nguyên mẫu pin nhỏ, chỉ chứa vài thìa canh chất lỏng.
Vì hệ thống này dựa trên nước, nên nó không bắt lửa, an toàn hơn pin lithium-ion đối với các hệ thống lắp đặt lớn. Nhìn về tương lai, pin dòng chảy sử dụng các phân tử như AzoBiPy có thể lưu trữ điện năng từ các trang trại điện mặt trời, điện gió và giải phóng nó khi nhu cầu cao điểm.
Các phiên bản nhỏ hơn, một ngày nào đó có thể cung cấp giải pháp lưu trữ năng lượng an toàn, thân thiện hơn với môi trường cho các hộ gia đình. Nhóm nghiên cứu hiện đang mở rộng công việc để phát triển một dãy các phân tử tương tự và tin rằng công nghệ này có thể sử dụng rộng rãi trong vòng một hoặc hai thập kỷ tới.
