Pin oxy hóa khử cho lưu trữ điện năng quy mô lớn

Xe điện (EV) yêu cầu các trạm nguồn cấp phải có sẵn thiết bị lưu trữ điện để có thể sạc ở bất cứ đâu và bất cứ lúc nào tương tự như trạm cung cấp xăng dầu. Ngoài ra, điện mặt trời và gió là những nguồn năng lượng không thường xuyên liên tục và ổn định, cần có những thiết bị lưu trữ điện năng dư thừa để không lãng phí năng lượng.

Nhóm nghiên cứu của GS.TS Yu Zhu thuộc Trường Khoa học và Kỹ thuật Polymer của Đại học Akron bang Ohio đã phát triển một giải pháp kỹ thuật bền vững để lưu trữ năng lượng, cung cấp điện cho các phương tiện giao thông tương lai.

Pin dòng oxy hóa khử (RFB) chi phí thấp, có thể tăng cường dung lượng là một trong những công nghệ phù hợp nhất cho một hệ thống cấp điện thương xuyên; Nhược điểm là các RFB hiện nay sử dụng những hoạt chất (chất điện phân) giá thành cao và độc hại với môi trường.

Sơ đồ pin dòng chảy oxy hóa khử, lưu trữ năng lượng tái tạo từ điện gió và điện mặt trời.

Các nhà khoa học Mỹ đề xuất những vật chất hữu cơ, hòa tan trong nước làm chất điện phân tương lai trong RFB (RFB hữu cơ dạng nước, hoặc AORFB). Các chất điện phân có nguồn gốc hữu cơ có thể thu được từ những nguồn tái tạo và sản xuất với chi phí rất thấp. Nhưng trở ngại lớn của AORFB là thiếu các chất điện phân hữu cơ hòa tan trong nước (dung môi phân cực) ổn định, đặc biệt là chất điện phân dương (catholyte).

Nhóm nghiên cứu của GS.TS Zhu, phối hợp với các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương do TS Wei Wang đứng đầu, bằng giải pháp thiết kế phá vỡ đối xứng của catholyte phức hợp sắt hữu cơ đã phát triển thành công catholyte ổn định nhất cho đến nay trong AORFBs, chứng minh được các pin điện oxy hóa giữ được hơn 90% công suất trong hơn 6.000 chu kỳ nạp xả, tương đương với 16 năm dịch vụ không bị gián đoạn với tốc độ một chu kỳ nạp xả/ ngày. 

Thí nghiệm Pin dòng chảy oxy hóa khử với catholyte mới, giải pháp kỹ thuật mà nhóm khoa học của TS Yu Zhu phát triển.

GS.TS Zhu nói: “Sự phát triển các RFB hiệu suất cao sẽ tăng cường thêm những loại hệ thống lưu trữ điện, giải quyết nhược điểm của những nguồn năng lượng tái tạo là không sản xuất liên tục, tăng cường khả năng khai thác sử dụng của các loại xe điện.

Để tăng cường hiệu suất của RFB hữu cơ tan trong nước, vấn đề quan trọng cấp thiết là phát triển vật liệu catholyte hoàn toàn mớ".

Trong bản báo cáo khoa học, đăng trên Tạp chí Năng lượng Tự nhiên, nhóm nghiên cứu không chỉ chứng minh khả năng một chất catholyte mới trong AORFB, mà còn đưa ra một chiến lược hoàn toàn mới để thiết kế catholyte hòa tan trong nước nhằm tăng cường khả năng hòa tan (mật độ năng lượng) trong nước.

Thay vì tích hợp một nhóm hóa chất ưa nước để tăng cường khả năng hòa tan của các phân tử, nhóm khoa học đã thay đổi tính đối xứng của các phân tử, làm tăng cường đáng kể khả năng hòa tan. Với chiến lược thiết kế độc đáo, nhóm khoa học dự kiến nghiên cứu phát triển những vật liệu mới, tiếp tục hoàn thiện các RFB.

Nhóm nghiên cứu đã đệ trình đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ, được phát triển trong công trình nghiên cứu này. Khả năng mở rộng của các vật liệu sẽ được nghiên cứu sâu hơn tại Akron PolyEnergy Inc., một công ty sản xuất của Đại học Akron (UA) do Zhu đồng sáng lập, tập trung vào phát triển vật liệu trong những thiết bị lưu trữ điện năng như pin lithium-ion và pin dòng chảy.