Tác động của sự biến đổi khí hậu trên trái đất đang khiến các thảm họa tự nhiên ngày càng gia tăng. Thực tế này đòi hỏi thế giới cần phải nhanh chóng áp dụng các nguồn năng lượng tái tạo, tăng cường cơ sở hạ tầng liên quan đến năng lượng xanh.

Hiện nay, nguồn năng lượng tái tạo đang đối mặt với những thách thức lớn do hoạt động sản xuất điện từ năng lượng tái tạo phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và thời gian.

Sự phát triển của điện gió, điện mặt trường khiến nhu cầu về hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) hạ tầng, được sử dụng để lưu trữ điện năng dư thừa khi điều kiện thời tiết tốt và cung cấp điện khi cần ngày càng gia tăng, nhưng pin lithium-ion (LIB) được sử dụng trong ESS có giá thành cao và không an toàn, dễ dàng xảy ra cháy nổ. Các nhà khoa học năng lượng đối mặt với nhu cầu cấp thiết phát triển những giải pháp lưu trữ điện rẻ và an toàn hơn.

Nguyên nhân tạo ra hydro và tích tụ không ngừng trong tế bào của pin sạc dạng nước. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc

Những tiến bộ trong pin sạc nước

Một nhóm nghiên cứu do TS Oh Si Hyoung thuộc Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ Năng lượng tại Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) đã phát triển một loại pin sạc nước có độ an toàn cao, có thể cung cấp giải pháp thay thế pin Lithium-ion, có giá thành cao và độ an toàn thấp hơn.

Pin nước là loại pin điện sử dụng dung dịch gốc nước làm chất điện phân. Pin nước được phát minh từ những năm 1860, không có mật độ năng lượng và vòng đời cao như pin xe điện nhưng an toàn, đáng tin cậy và rẻ hơn so với pin lithium-ion.

Nguyên mẫu Pin nước Lithium – ion (LIAB) được chế tạo vào năm 1994. Hiện nay, những đổi mới về vật liệu đã khiến pin nước trở thành một công nghệ được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm do giá thành sản xuất thấp và độ tin cậy cao.

Mặc dù có mật độ năng lượng thấp hơn pin Lithium - ion nhưng pin sạc dạng nước có lợi thế kinh tế do chi phí nguyên liệu thô và quy trình sản xuất thấp hơn nhiều so với LIB. Nhưng công nghệ pin sạc nước có một nhược điểm lớn là khi sạc, xả sẽ hình thành những bọt khí hydro từ quá trình phân tách nước, tồn tại lâu dài làm tăng dần áp suất bên trong pin, cạn kiệt chất điện phân, gây ra mối đe dọa lớn đối với hoạt động ổn định và an toàn của pin, khiến pin sạc nước không thể được thương mại hóa.

Các nhà khoa học sử dụng chất xúc tác tái tạo lại nước, cho phép pin sạc nước hoạt động an toàn và ổn định. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc

Giải quyết thách thức về an toàn trong công nghệ pin sạc nước

Cho đến nay, các nhà khoa học cố gắng giải quyết vấn đề này bằng phương pháp lắp đặt một lớp bảo vệ bề mặt, giúp giảm thiểu diện tích tiếp xúc giữa cực dương kim loại và chất điện phân. Nhưng quá trình ăn mòn cực dương kim loại và sự phân hủy nước trong chất điện phân không thể tránh khỏi, sự tích tụ các bọt khí hydro ngày càng tăng gây ra nguy cơ phát nổ khi pin nước hoạt động lâu dài.

Chất xúc tác tổng hợp kích hoạt phản ứng hóa học tái tạo nước. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc

Để giải quyết vấn đề quan trọng này, nhóm nhà khoa học Hàn Quốc đã phát triển một chất xúc tác tổng hợp với mangan dioxide và palladium, có khả năng tự động chuyển đổi khí hydro, sinh ra trong tế bào pin thành nước, đảm bảo duy trì được cả hiệu suất và độ an toàn của pin.

Mangan dioxide không phản ứng với khí hydro trong điều kiện bình thường, nhưng khi thêm một lượng nhỏ palladium, chất xúc tác sẽ dễ dàng hấp thụ khí hydro và kích hoạt phản ứng với ô xy tạo thành nước.

Trong tế bào pin nguyên mẫu nạp chất xúc tác mới do các nhà khoa học Hàn Quốc chế tạo thử nghiệm, áp suất bên trong tế bào pin được duy trì ở mức thấp hơn nhiều so với giới hạn an toàn, trong hàng loạt quy trình sạc, xả không quan sát thấy sự suy giảm chất điện phân.

Công nghệ có tiềm năng lớn trong  lưu trữ năng lượng tái tạo

Kết quả nghiên cứu này giải quyết với hiệu quả cáo một thách thức lớn về vấn đề an toàn trong pin nước, mở ra cơ hội chế tạo pin ứng dụng thương mại cho ESS trong tương lai. Khả năng thay thế cho pin lithium –ion (LIB) bằng pin sạc nước giá rẻ và an toàn hơn có thể thúc đẩy sự tăng trưởng nhanh chóng thị trường ESS toàn cầu.

TS Oh, Si Hyoung của KIST giải thích: “Công nghệ tại tạo lại nước liên quan đến chiến lược an toàn có thể điều chỉnh đối với pin sạc nước, phát triển trên cơ chế an toàn chủ động được tích hợp vào pin, nhờ đó các yếu tố rủi ro về khí hydro được kiểm soát hoàn toàn tự động. Ngoài ra, công nghệ này còn có thể áp dụng cho những cơ sở công nghiệp mà hiện tượng rò rỉ khí hydro là một trong nguy cơ gây mất an toàn lớn như ở trạm khí hydro, nhà máy điện hạt nhân, v.v. Công nghệ tái tạo nước sẽ giúp bảo vệ an toàn cho công cộng.”

Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc 

Trịnh Thái Bằng

Nguồn: VietTimes