Khi nhu cầu điện năng tăng vọt trong kỷ nguyên AI, pin điện hóa ceramic proton, có thể sản xuất đồng thời điện và hydro, đang thu hút sự chú ý như một công nghệ năng lượng thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, pin này có một hạn chế kỹ thuật là yêu cầu nhiệt độ sản xuất cực cao, lên đến 1.500°C.

Mới đây, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Kang Taek Lee và các đồng tác giả Tiến sĩ Dongyeon Kim, ứng viên Tiến sĩ Yejin Kang, tại Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), thành công trong việc thiết lập quy trình sản xuất mới, lần đầu tiên giảm yêu cầu này xuống hơn 500°C. Công trình được công bố trên tạp chí Advanced Materials.

Công trình nghiên cứu này cho phép chế tạo pin điện hóa ceramic proton hiệu suất cao ở nhiệt độ thấp hơn 500°C so với trước đây, sử dụng công nghệ kiểm soát hơi và vi sóng, áp dụng nguyên lý gia nhiệt bằng vi sóng và khuếch tán hơi hóa học được tạo ra từ các thành phần hóa học cụ thể.

Chất điện phân - vật liệu chính của pin điện hóa ceramic proton - chứa barium, và barium dễ bay hơi ở nhiệt độ trên 1.500°C, đây là nguyên nhân chính gây giảm hiệu suất. Do đó, khả năng làm cứng chất điện phân ceramic ở nhiệt độ thấp hơn là vấn đề cốt lõi quyết định hiệu suất của pin.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu phát minh ra phương pháp xử lý nhiệt mới, gọi là khuếch tán pha hơi. Kỹ thuật này đặt một vật liệu phụ trợ đặc biệt (nguồn hơi) bên cạnh pin và chiếu xạ nó bằng vi sóng để khuếch tán hơi nhanh chóng.

Khi nhiệt độ đạt khoảng 800°C, hơi thoát ra từ vật liệu phụ trợ sẽ di chuyển về phía chất điện phân và liên kết chặt chẽ các hạt ceramic. Với công nghệ này, một quy trình trước đây cần đến 1.500°C, giờ đây có thể được hoàn thành chỉ ở 980°C.

Nói cách khác, công nghệ chế tạo pin điện hóa ceramic đầu tiên trên thế giới đã được tạo ra, có khả năng sản xuất điện hiệu suất cao ở nhiệt độ thấp mà không làm hỏng chất điện phân.

Pin chế tạo bằng quy trình này, tạo ra công suất 2 W ổn định từ cell 1 cm² ở nhiệt độ 600°C và tạo ra 205 ml hydro mỗi giờ ở nhiệt độ 600°C (tương đương thể tích một cốc giấy nhỏ, thuộc loại cao nhất trong ngành). Pin cũng duy trì sự ổn định mà không suy giảm hiệu suất trong 500 giờ hoạt động liên tục.

Điều này cho thấy, công nghệ này làm giảm nhiệt độ sản xuất (−500°C), giảm nhiệt độ vận hành (600°C), tăng gấp đôi hiệu suất (2 W/cm²) và kéo dài tuổi thọ (độ ổn định 500 giờ), đạt được hiệu suất đẳng cấp thế giới trong công nghệ pin ceramic.

Nhóm nghiên cứu cũng nâng cao độ tin cậy của công nghệ bằng cách sử dụng bản sao kỹ thuật số (mô phỏng ảo) để phân tích hiện tượng vận chuyển khí xảy ra ở cấu trúc vi mô bên trong của pin, hiện tượng khó quan sát trong các thí nghiệm thực tế.

Theo Giáo sư Kang Taek Lee, nghiên cứu này là trường hợp đầu tiên trên thế giới sử dụng hơi để hạ nhiệt độ xử lý nhiệt hơn 500°C mà vẫn tạo ra được pin hiệu suất cao, độ ổn định cao. Nghiên cứu này được kỳ vọng sẽ trở thành công nghệ sản xuất then chốt, giải quyết các thách thức về năng lượng trong kỷ nguyên AI và thúc đẩy thị trường hydro.