Một mẫu AquaPIM.
Trước đó, các nhà khoa học đã đưa ra giải pháp là các khối pin khổng lồ cho lưới điện, để lưu trữ điện trong các thùng chứa chất điện phân lỏng. Nhưng cho đến nay vẫn chưa tìm thấy loại pin hiệu quả về chi phí, lại có thể cung cấp năng lượng đáng tin cậy cho hàng nghìn ngôi nhà trong suốt vòng đời từ 10 đến 20 năm.
Giờ đây, một công nghệ màng pin được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) của Bộ Năng lượng Mỹ có thể đưa ra một giải pháp cho vấn đề này.
Theo báo cáo trên tạp chí Joule, các nhà nghiên cứu đã phát triển một màng pin linh hoạt nhưng giá cả phải chăng từ một loại polymer được gọi là AquaPIMs. Loại polymer này làm cho pin điện lưới sử dụng được lâu dài và với chi phí thấp lại có thể chỉ dựa trên các vật liệu có sẵn như kẽm, sắt và nước.
Nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển một mô hình đơn giản cho thấy các màng pin khác nhau ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin như thế nào, dự kiến sẽ gia tăng việc nghiên cứu và phát triển giai đoạn đầu cho các công nghệ pin lưu lượng, đặc biệt là trong việc tìm kiếm màng phù hợp cho các hóa chất pin khác nhau.
Ông Brett Helms, nhà nghiên cứu chính của Trung tâm nghiên cứu lưu trữ năng lượng (JCESR) và là nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Công nghệ màng AquaPIM có thể nhanh chóng tiếp cận thị trường dành cho các pin lưu lượng sử dụng các hóa chất gốc nước với chi phí thấp. Bằng cách sử dụng công nghệ của chúng tôi và các mô hình thực nghiệm đi kèm về hiệu suất và tuổi thọ của pin, các nhà nghiên cứu khác có thể nhanh chóng đánh giá mức độ sẵn sàng của từng bộ phận để đưa vào pin, từ màng ngăn đến vật liệu lưu trữ-nạp. Điều này sẽ tiết kiệm thời gian và tài nguyên cho các nhà nghiên cứu và nhà phát triển sản phẩm.”
Theo ông Helms, màng polymer flo hóa khá đắt tiền, chúng có thể chiếm từ 15% đến 20% giá thành của pin, khiến giá thành tiêu thụ lên đến 300 USD/kWh. Miranda Baran, một nghiên cứu sinh sau đại học trong nhóm nghiên cứu của ông Helms cho biết, một cách để giảm chi phí pin là loại bỏ hoàn toàn màng polymer flo hóa và đưa ra một giải pháp thay thế bằng một loại rẻ hơn nhưng hiệu quả cao như AquaPIMs.
Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Berkeley đã phát triển một màng pin dòng chảy giá cả phải chăng cho lưới điện từ một loại polymer mới có tên là AquaPIM.
Thông qua những thí nghiệm ban đầu, các nhà nghiên cứu đã biết rằng các màng được biến đổi bằng một hóa chất kỳ lạ gọi là “amidoxime” cho phép các ion nhanh chóng di chuyển giữa cực dương và cực âm.
Sau đó, trong khi đánh giá hiệu suất và khả năng tương thích của màng AquaPIM với các hóa chất pin lưới khác nhau, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng màng AquaPIM làm cho các pin kiềm ổn định đáng kể.
Ngoài ra, họ phát hiện ra rằng các nguyên mẫu AquaPIM vẫn giữ được tính toàn vẹn của các vật liệu lưu trữ-nạp trong cực âm cũng như ở cực dương. Khi các nhà nghiên cứu mô tả các màng tại cơ sở nghiên cứu Advanced Light Source (ALS) của Berkeley Lab, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các đặc điểm này là phổ biến trên các biến thể của AquaPIM.
Cô Baran và các cộng tác viên sau đó đã kiểm tra xem màng AquaPIM sẽ hoạt động như thế nào với chất điện phân kiềm nước. Trong thí nghiệm này, họ phát hiện ra rằng trong điều kiện kiềm hóa, amidoxit đã kết hợp polymer ổn định, một kết quả đáng ngạc nhiên khi xem xét rằng các vật liệu hữu cơ thường không ổn định ở pH cao.
Sự ổn định như vậy đã ngăn lỗ của màng AquaPIM xẹp lại, do đó cho phép chúng duy trì được tính dẫn điện mà không bị mất hiệu suất theo thời gian, trong khi các lỗ của màng fluoro-polymer thương mại bị xẹp lại như dự đoán, gây bất lợi cho tính chất truyền dẫn ion của nó, ông Helms giải thích.
Sơ đồ của một pin lưu lượng với màng AquaPIM chọn lọc ion (màu be). Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Berkeley đã phát hiện ra rằng một mô hình như vậy có thể dự đoán tuổi thọ và hiệu quả của pin lưu lượng cho lưới điện mà không phải chế tạo toàn bộ thiết bị.
Trong khi đánh giá hiệu suất và khả năng tương thích của màng AquaPIM với các hóa chất pin lưới khác nhau, các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình gắn hiệu suất của pin với hiệu suất của các màng khác nhau. Mô hình này có thể dự đoán tuổi thọ và hiệu quả của pin chảy mà không phải chế tạo toàn bộ thiết bị. Họ cũng chỉ ra rằng các mô hình tương tự có thể được áp dụng cho các hóa chất pin khác và màng của chúng.
“Thông thường, bạn sẽ phải chờ hàng tuần nếu không phải vài tháng để biết pin sẽ tồn tại bao lâu sau khi lắp ráp toàn bộ tế pin. Bằng cách sử dụng màng chắn đơn giản và nhanh chóng, bạn có thể cắt giảm xuống còn vài giờ hoặc vài ngày,” ông Helms nói.
Các nhà nghiên cứu lên kế hoạch tiếp theo để áp dụng màng AquaPIM trên phạm vi rộng hơn của các hóa chất pin lưu lượng có nước, từ kim loại và các chất vô cơ đến chất hữu cơ và polyme. Họ cũng dự đoán rằng các màng này tương thích với các loại pin kẽm kiềm khác, bao gồm cả pin sử dụng oxy, oxit mangan hoặc khung kim loại hữu cơ làm cực âm.