Một nhóm nghiên cứu Nhật Bản-Trung Quốc vừa phát triển pin dòng chảy oxy hóa khử titanium muối nóng chảy (TMSRB), sử dụng các ion titanium làm vật liệu hoạt tính điện hóa và muối nóng chảy làm chất điện phân, để tạo ra pin lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện cao áp, hiệu suất cao và chu kỳ sạc/xả ổn định.
Với mục đích sử dụng trong hệ thống lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện, TMSRB được thiết kế để cung cấp mật độ dòng điện sạc-xả cao hơn so với pin dòng chảy oxy hóa khử vanadium (VRFB) thông thường. Nghiên cứu được giới thiệu trên tạp chí Electrochemistry Communications. Nhóm nghiên cứu gồm các nhà khoa học đến từ Đại học khoa học và công nghệ Bắc Kinh (Trung Quốc) và Đại học Tohoku (Nhật Bản).
Các nhà khoa học cho biết, so với vanadium, titanium là nguyên tố dồi dào hơn nhiều, giải quyết được các hạn chế về nguồn cung và chi phí. Titanium là kim loại phong phú thứ bảy trong vỏ Trái đất, hàm lượng nguyên tố trong vỏ Trái đất là 0,56%, gấp 35 lần so với vanadium. Do đó, không lo ngại về nguồn cung vật liệu trong TMSRB.
Hệ thống hoạt động bằng cách sử dụng các ion titanium ở nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau, với cặp oxy hóa khử Ti⁴⁺/Ti³⁺ ở cực âm và cặp oxy hóa khử Ti³⁺/Ti²⁺ ở cực dương, cho phép các phản ứng oxy hóa khử diễn ra thuận nghịch.
Hệ thống cũng sử dụng muối nóng chảy làm chất điện phân, như lithium chloride–kali chloride (LiCl–KCl) và natri chloride–magie chloride–kali chloride (NaCl–MgCl₂–KCl), mang lại phạm vi ổn định điện hóa rộng, độ dẫn ion cao, đồng thời hỗ trợ hoạt động hiệu quả ở điện áp cao, tốc độ sạc-xả nhanh và chu kỳ ổn định ở nhiệt độ từ 300-450°C.
Pin được lắp ráp với màng ngăn đặt giữa cực dương và cực âm. Cực âm gồm lưới carbon nhiều lớp, nối với một thanh than chì làm bộ thu dòng điện và một thanh niken làm dây dẫn. Cấu hình tương tự, gồm một hình trụ carbon rỗng, ở phía đối diện. Chất điện phân chứa ion titanium được thêm vào pin và chất phụ gia lithium fluoride (LiF) được đưa vào cực dương để ngăn chặn sự bay hơi của titanium tetrachloride (TiCl₄).
Sau khi lắp ráp hoàn chỉnh, pin được vận hành trong môi trường khí argon (Ar) trong lò nung điện trở để đánh giá hành vi oxy hóa khử và độ ổn định chu kỳ sạc-xả. Ngoài ra, mô phỏng động lực học phân tử ab initio (AIMD) được sử dụng để theo dõi sự phân bố ion trong quá trình hoạt động.
Phân tích đã chứng minh các ion titanium đa hóa trị phù hợp làm vật liệu hoạt tính oxy hóa khử cho pin. Phép đo điện thế tuần hoàn và điện thế sóng vuông trong muối nóng chảy LiCl–KCl ở 400°C cho thấy, các phản ứng oxy hóa khử Ti²⁺/Ti³⁺ và Ti³⁺/Ti⁴⁺ rõ ràng và thuận nghịch, mà các nhà khoa học cho biết, về lý thuyết có thể cung cấp điện áp cao khoảng 1,55 V, có thể mở rộng lên 1,80 V khi bao gồm Ti/Ti²⁺. Hơn nữa, trạng thái oxy hóa ổn định và các chuyển đổi oxy hóa khử khác nhau được phát hiện thấy để tăng cường hơn nữa tính linh hoạt và ổn định của hệ thống.
Các nhà nghiên cứu cũng xác định, thành phần muối nóng chảy có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa chi phí, phạm vi nhiệt độ và hiệu suất điện hóa. Các thí nghiệm với các chất điện phân khác nhau đã xác nhận hoạt tính oxy hóa khử ổn định và điện áp cao trên phạm vi nhiệt độ rộng.
Ngoài ra, các thử nghiệm thực nghiệm đã chứng minh hiệu suất Coulomb cao trên 97% và chu kỳ sạc/xả ổn định ngay cả ở tốc độ sạc-xả cao. Hiệu suất vẫn mạnh mẽ trên nhiều hệ thống muối nóng chảy khác nhau, cho thấy tính bền vững và khả năng thích ứng.
Tóm lại, pin TMSRB được phát triển có nhiều ưu điểm, đặc biệt là điện áp hoạt động cao hơn, hiệu suất Coulomb cực cao, khả năng sạc-xả nhanh và nguồn nguyên liệu dồi dào, các nhà khoa học nhấn mạnh. Việc tối ưu hóa kỹ thuật hơn nữa, như thiết kế cụm pin tiên tiến, cải tiến quản lý nhiệt và đánh giá chi tiết hơn các chỉ số như hiệu suất điện áp, hiệu suất năng lượng, dung tích bể chứa chất điện phân và mật độ năng lượng thể tích thực tế, hiện đang được tiến hành.
