Khi nhu cầu lưu trữ năng lượng tái tạo trên toàn cầu tăng cao, việc đổi mới công nghệ pin trở nên rất quan trọng. Một bước đột phá đáng kể trong lĩnh vực này, đạt được ở pin dòng chảy kẽm-brom (Zn/Br), giải pháp thay thế tiềm năng cho các pin sạc thông thường, nhờ mật độ năng lượng cao và vật liệu tiết kiệm chi phí.
Pin dòng chảy lưu trữ năng lượng nhờ sử dụng chất điện phân lỏng chứa trong các bể chứa bên ngoài, giúp chúng có khả năng mở rộng quy mô và an toàn cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng. Loại pin Zn/Br lưu trữ và cung cấp điện năng bằng cách bơm dung dịch lỏng từ các bể chứa bên ngoài qua bộ phận phản ứng trung tâm.
Tuy nhiên, các pin dòng chảy dựa trên brom (Br₂) hiện nay có hạn chế đáng kể, do tính chất ăn mòn của brom. Brom được tạo ra trong quá trình sạc sẽ ăn mòn các bộ phận quan trọng như điện cực, ống dẫn, thậm chí cả bể chứa. Thêm vào đó, brom dễ bay hơi và độc hại, nếu bị rò rỉ có thể gây ô nhiễm không khí, rủi ro cho môi trường.
Nghiên cứu mới khắc phục hạn chế này, mở ra hướng đi cho các pin dòng chảy có hiệu suất cao, tuổi thọ dài. Sau nhiều nỗ lực tìm kiếm giải pháp cho vấn đề này, Nhóm nghiên cứu phát hiện ra natri sulfamat (SANa), có tác dụng như chất bẫy, làm thay đổi cách brom hoạt động bên trong pin, giúp pin dòng chảy Zn/Br hoạt động tốt hơn.
Đột phá nằm ở việc đưa chất hấp thụ SANa vào chất điện phân của pin dòng chảy Zn/Br. Việc sử dụng SANa giải quyết được vấn đề giữ lại Br₂ thông qua phản ứng phân hủy, cân bằng quá trình oxy hóa và khử, để tạo ra amin brom hóa ổn định. Phản ứng hóa học này làm giảm nồng độ brom xuống mức chấp nhận được, khoảng ~7 milimol/lít.
Phản ứng này không chỉ làm giảm nồng độ brom tự do xuống mức an toàn hơn mà còn tạo thuận lợi cho quá trình chuyển giao hai electron. Điều này cho phép pin lưu trữ năng lượng nhiều hơn đáng kể. Pin dòng chảy có bổ sung SANa đạt mật độ năng lượng 152 Wh/l, so với 90 Wh/l của các phiên bản thông thường, mà không cần đến vật liệu chống ăn mòn đắt tiền.
Khi so sánh với các loại pin dòng chảy dựa trên brom truyền thống, kết quả thu được rất ấn tượng. Trong khi các hệ thống thông thường sụt giảm mạnh về hiệu suất chỉ sau 30 chu kỳ do ăn mòn, thiết kế pin dòng chảy mới bổ sung SANa hoạt động được hơn 700 chu kỳ - gần 1.400 giờ - mà không bị suy giảm hiệu suất đáng kể.
Để kiểm tra giới hạn của pin, nhóm nghiên cứu thiết kế một cụm pin 5 kW gồm 30 cell pin riêng lẻ kết nối nối tiếp. Họ nhận thấy, pin dòng chảy được thiết kế mới này, đạt hơn 700 chu kỳ hoạt động ổn định, trong khi chi phí thấp hơn nhiều, vì nó không cần đến các màng chống ăn mòn, máy bơm hoặc bể chứa đắt tiền nữa.
Các nhà nghiên cứu hy vọng những hiểu biết từ nghiên cứu này có thể giúp thiết kế các loại pin dựa trên brom có tính chất nhẹ, tuổi thọ dài, mật độ năng lượng cao cho các giải pháp lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Energy.
