Trung Quốc tạo bước đột phá pin mới: Rẻ hơn lithium 80 lần, tuổi thọ hơn 16 năm

Hình ảnh cận cảnh nhiều thùng chứa hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) trong một hệ thống điện lưới. Chúng được thiết kế để hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo, cân bằng tải và điện lưới. Ảnh: SCMP.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã đạt được bước đột phá trong công nghệ “pin dòng chảy toàn sắt” (all-iron flow battery), có thể giúp giảm mạnh chi phí lưu trữ năng lượng tái tạo đồng thời kéo dài đáng kể tuổi thọ pin.

Hiện nay, lithium có giá đắt hơn hơn 80 lần so với sắt – xét trên phương diện nguyên liệu công nghiệp. Theo các nhà nghiên cứu, pin sắt có thể trở thành lời giải cho một trong những nút thắt lớn nhất của quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu.

Một nhóm nghiên cứu từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), cụ thể là Viện Nghiên cứu Kim loại, đã công bố phát triển một chất điện phân có độ ổn định cao, có khả năng duy trì hàng nghìn chu kỳ sạc–xả mà gần như không suy giảm dung lượng.

Đây được xem là một thành tích kỷ lục trong lĩnh vực này. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Advanced Energy Materials.

“Nó mang lại một giải pháp chi phí thấp, tuổi thọ cao cho lưu trữ năng lượng quy mô lớn,” CAS cho biết trong thông cáo báo chí ngày 16/4.

Quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu đang đối mặt với một nút thắt quan trọng: làm thế nào để lưu trữ lượng điện không ổn định từ các trang trại điện mặt trời và điện gió ở quy mô đủ lớn để ổn định lưới điện.

Pin dòng chảy toàn sắt – sử dụng sắt dồi dào, giá rẻ cùng chất điện phân gốc nước không cháy – đã nổi lên như một ứng viên đầy tiềm năng cho lưu trữ dài hạn.

Tuy nhiên, việc thương mại hóa vẫn bị hạn chế do tính không ổn định của anolyte (chất điện phân phía cực âm) dựa trên sắt, nơi vật liệu hoạt tính dễ bị phân hủy và rò rỉ qua màng ngăn, làm giảm đáng kể tuổi thọ hoạt động.

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã giải quyết thách thức này ở cấp độ phân tử bằng một chiến lược mà họ gọi là “thiết kế hiệp đồng”. Trọng tâm của phương pháp là một phức hợp sắt mới được thiết kế, đóng vai trò vừa là lớp bảo vệ cấu trúc, vừa là hàng rào tĩnh điện.

Khung phân tử cồng kềnh và cứng của nó tạo ra sự bảo vệ không gian, ngăn chặn vật lý các ion hydroxide tấn công vào trung tâm sắt. Đồng thời, điện tích âm dày đặc của phân tử tạo ra một “trường lực” tĩnh điện, đẩy lùi các phần tử cùng điện tích, từ đó ngăn vật liệu hoạt tính vượt qua màng.

“Chúng tôi lần đầu tiên kết hợp được độ cản không gian cao với giao diện mang điện tích âm,” nhà nghiên cứu chính Tang Ao viết trong bài báo khoa học. “Cơ chế bảo vệ kép này giải quyết đồng thời vấn đề phân hủy và rò rỉ ở cấp độ phân tử – những yếu tố lâu nay hạn chế tuổi thọ của pin dòng chảy dựa trên sắt.”

Trong thông cáo, CAS cho biết: “Pin vận hành ổn định hơn 6.000 chu kỳ mà không suy giảm dung lượng. Sau 6.000 chu kỳ, không có hiện tượng kết tủa, không tích tụ sản phẩm phụ, và cả cấu trúc lẫn khả năng đảo ngược vẫn được giữ nguyên.”

Bài thử nghiệm – mô phỏng hơn 16 năm sử dụng hàng ngày – đạt hiệu suất coulomb trung bình (khả năng giữ điện, hạn chế rò rỉ) tới 99,4%, cho thấy các phản ứng phụ là rất nhỏ, đồng thời duy trì hiệu suất năng lượng 78,5% ngay cả khi hoạt động ở công suất cao.

Đáng chú ý, thiết kế mới đã giảm tốc độ rò rỉ vật liệu hoạt tính xuống thấp hơn hai bậc độ lớn so với các hệ thống truyền thống.

Bước tiến này xuất hiện trong bối cảnh nỗ lực toàn cầu nhằm phát triển pin dòng chảy dựa trên sắt đang gia tăng, khi công nghệ này được xem là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion trong lưu trữ quy mô lưới điện.

Tại Mỹ, công ty ESS Tech Inc. đang phát triển thiết kế pin dòng chảy sắt dạng axit gần đạt mức thương mại hóa, dù vẫn đối mặt với các thách thức như sinh khí hydro và hiện tượng dendrite – sự hình thành các tinh thể kim loại dạng kim trên cực âm trong quá trình sạc.

Trong khi đó, các nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia và Học viện Kỹ thuật Worcester đang khám phá các hướng hóa học và cấu trúc hệ thống khác.

Trái lại, đột phá của CAS tập trung vào hệ kiềm và sử dụng kỹ thuật thiết kế phân tử chính xác để đạt được tuổi thọ chu kỳ siêu dài.

Theo thông cáo của CAS: “Nghiên cứu này thiết lập một bộ tiêu chí thiết kế hoàn toàn mới cho chất điện phân dựa trên sắt.”

Độ bền vượt trội này có thể đóng vai trò quyết định trong việc giảm chi phí vòng đời – một yếu tố then chốt đối với các hệ thống lưu trữ quy mô lưới điện, nơi pin phải vận hành ổn định trong nhiều thập kỷ.