Pin kẽm-iốt sạc trong 3 phút, hoạt động hơn 60.000 chu kỳ

Vật liệu nguồn gốc carbohydrate giúp kéo dài tuổi thọ pin

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Flinders (Australia) đang phát triển một loại pin kẽm-iốt sử dụng chất điện phân nước, hướng tới các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Công nghệ này thuộc nhóm pin kẽm-iốt sử dụng chất điện phân nước (AZIB), được xem là một hướng nghiên cứu tiềm năng cho lưu trữ điện từ năng lượng mặt trời, điện gió và các hệ thống lưới điện.

Pin lithium-ion hiện được sử dụng rộng rãi trong điện thoại, máy tính, xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, sự gia tăng nhu cầu cũng đặt ra những vấn đề liên quan đến nguồn nguyên liệu, chi phí, an toàn và xử lý pin sau khi hết vòng đời.

Theo nhóm nghiên cứu, Australia hiện tạo ra khoảng 3.300 tấn chất thải pin lithium-ion mỗi năm và con số này có thể vượt 136.000 tấn vào năm 2036.

Đây là một trong những động lực thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm những hệ pin sử dụng nguyên liệu phổ biến hơn, đồng thời có độ an toàn cao và phù hợp với lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Một hướng được quan tâm là pin kẽm-iốt. Kẽm có nguồn cung tương đối dồi dào và chi phí thấp, trong khi chất điện phân nước không dễ cháy như nhiều chất điện phân hữu cơ được sử dụng trong pin lithium-ion.

Điều này giúp pin kẽm-iốt có tiềm năng giảm nguy cơ cháy và phù hợp với các hệ thống lưu trữ điện cố định.

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn tồn tại một trở ngại kỹ thuật quan trọng.

Trong quá trình sạc và xả, các loài iốt hòa tan, trong đó có các polyiodide, có thể di chuyển trong pin. Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng con thoi” (shuttle effect).

Sự di chuyển của các chất trung gian có thể gây ra phản ứng phụ, làm tăng hiện tượng tự phóng điện và khiến dung lượng cũng như hiệu suất của pin suy giảm theo thời gian.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Flinders đã tìm cách hạn chế hiện tượng này bằng một loại polymer có nguồn gốc từ cyclodextrin.

Cyclodextrin là nhóm oligosaccharide có cấu trúc vòng. Từ vật liệu này, các nhà khoa học tạo ra một mạng polymer liên kết chéo gọi là polycyclodextrin.

Trong cấu trúc của cyclodextrin có một khoang tương đối kỵ nước nằm bên trong phần vỏ ưa nước. Đặc điểm này cho phép các phân tử khách phù hợp tương tác với khoang của cyclodextrin.

Nhóm nghiên cứu tận dụng cơ chế chủ-khách này để “giữ” các loài polyhalide trong vật liệu điện cực, đồng thời vẫn cho phép chúng di chuyển trong quá trình phản ứng điện hóa.

Kết quả nghiên cứu cho thấy polymer có nguồn gốc từ β-cyclodextrin có khả năng tương tác với các anion polyhalide, qua đó hạn chế sự di chuyển không kiểm soát của các loài iốt trong pin.

Đáng chú ý, vật liệu này được tạo từ các oligosaccharide tương đối rẻ và có khả năng phân hủy sinh học, mở ra một hướng tiếp cận được nhóm nghiên cứu đánh giá là có tiềm năng về tính bền vững.

Sạc trong 3 phút, duy trì hơn 60.000 chu kỳ

Trong thử nghiệm, pin hoạt động ở điện áp khoảng 1,3-1,4V.

Ở mức dung lượng 200mAh/g, pin có thể được sạc trong khoảng 7 phút và duy trì hoạt động qua hơn 8.000 chu kỳ sạc - xả.

Khi giảm dung lượng hoạt động xuống 150mAh/g, thời gian sạc được rút xuống khoảng 3 phút. Ở điều kiện này, pin có thể hoạt động qua hơn 60.000 chu kỳ.

Nhóm nghiên cứu ghi nhận mức suy giảm dung lượng chỉ khoảng 0,0001-0,0003% sau mỗi chu kỳ, tùy theo cơ chế lưu trữ điện tích được sử dụng.

Trong công bố khoa học, hệ pin đạt dung lượng riêng 205mAh/g đối với quá trình lưu trữ hai electron và 365mAh/g đối với quá trình lưu trữ bốn electron.

Các kết quả cho thấy sự đánh đổi giữa dung lượng và tốc độ sạc. Chế độ sạc khoảng 3 phút đi kèm mức dung lượng thấp hơn nhưng cho phép pin đạt số chu kỳ hoạt động cao hơn đáng kể.

Đặc điểm này phù hợp với các hệ thống lưu trữ năng lượng cố định, trong đó tuổi thọ, độ an toàn và chi phí vận hành có thể được ưu tiên hơn mật độ năng lượng.

Tuy nhiên, những kết quả trên mới được chứng minh trong điều kiện nghiên cứu. Công nghệ vẫn cần được đánh giá thêm về khả năng mở rộng quy mô, mật độ năng lượng, độ ổn định trong điều kiện vận hành thực tế và chi phí sản xuất trước khi có thể xem là một lựa chọn thương mại thay thế pin lithium-ion.