MIT cải tiến pin sạc dòng, cho phép lưu trữ năng lượng tái tạo giá
thành thấp
Các nhà nghiên cứu tại MIT mới đây đã tìm ra một thiết kế mới cho loại pin sạc dòng (flow battery) nhằm loại bỏ lớp màng phân tách tốn kém và thiếu hiệu quả trên thiết kế cũ. Theo MIT thì thiết kế này sẽ mang lại một giải pháp lý tưởng để lưu trữ năng lượng từ các nguồn không thường xuyên như mặt trời và gió.
Pin sạc dòng là gì?
Pin sạc dòng là một loại pin sạc đặc biệt trong đó 2 chất lỏng với điện tích trái dấu (chất điện phân) sẽ trao đổi ion, chuyển đổi hóa năng trực tiếp thành điện năng. Các chất điện phân thường được phân tách bởi một lớp màng mỏng, cho phép chúng trao đổi ion mà không bị trộn vào nhau.
Chất điện phân được lưu trữ độc lập trong các cell pin, ở đây là các thùng chứa lớn và chất điện phân được bơm và các cell khi cần. Điều này có nghĩa hệ thống có thể dễ dàng điều chỉnh tỉ lệ chỉ đơn giản bằng cách thay đổi kích thước của thùng chứa. Qua đó, người ta có thể tạo ra các hệ thống pin với nhiều dung lượng khác nhau, từ vài kWh đến vài MWh.
Bên cạnh khả năng điều chỉnh tỉ lệ, pin sạc dòng còn mang lại nhiều ưu điểm, chẳng hạn như chúng có thể để nguyên không sử dụng trong một thời gian dài mà không mất điện tích, thời gian phản hồi nhanh và có thể sạc/xả nhanh bằng cách thay dung dịch điện phân. Với những ưu điểm này, trong nhiều năm trước, các nhà nghiên cứu đã cải tiến để sạc nhanh pin trên xe hơi.
Tuy nhiên, pin sạc dòng cũng phức tạp hơn so với những loại pin thông thường. Mỗi hệ thống pin phải đòi hỏi phải có máy bơm và các cảm biến. Thêm nữa, mật độ năng lượng cũng thấp hơn so với pin Li-ion.
Pin sạc dòng - công nghệ pin cho tương lai:
Thử thách lớn nhất trong việc phát triển một hệ thống pin sạc dòng hiệu quả là phải tìm ra sự cân bằng giữa hiệu năng và chi phí. Các chất điện phân thường không quá đắt nhưng chúng thường ăn mòn lớp màn phân tác đắt tiền, làm giảm tuổi thọ pin. Giải pháp của MIT là làm sao loại bỏ lớp màng này.
MIT đã tạo ra một nguyên mẫu pin sạc dòng cỡ nhỏ và hoạt động dựa trên một hiện tượng động lực học chất lỏng có tên "dòng chảy tầng". Nếu cả 2 chất lỏng được giữ ở tốc độ chuyển động thấp và các điều kiện khác được thoảm ãn, cả 2 sẽ không trộn vào nhau, qua đó màng phân tách sẽ không còn cần thiết nữa.
Bằng cách bơm brom lỏng vào một cực âm bằng than chì, bơm axit hydrobomic và khí hydro vào một cực dương có cấu trúc rỗ tổ ong, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một bể chứa các electron tự do, có thể được xả điện hoặc nạp theo ý muốn.
Mặc dù đã có nhiều nhóm nghiên cứu từng phát triển các thiết kế pin sạc dòng không màng ngăn nhưng đây là lần đầu tiên, thiết kế này có thể giúp pin sạc và xả điện bình thường. Nguyên mẫu pin sạc dòng của MIT có thể tạo ra 0,795 W trên mỗi cm vuông, gấp 3 lần so với các hệ thống pin không dùng màn ngăn khác và cao hơn gần 10 lần so với hầu hết pin Li-ion.
Những phát triển trong tương lai:
Các nhà nghiên cứu cũng đã khái quát hóa các thông số sản xuất của pin sạc dòng bằng cách tạo ra một mô hình toán học. Họ dùng mô hình này để tối ưu hệ thống và chế tạo các hệ thống quy mô lớn hơn để áp dụng vào lưới điện thông thường.
Các hệ thống pin sạc dòng không màn trước đây thường được cho là không thực tế nhưng một phiên bản tỉ lệ lớn của pin sẽ thay đổi suy nghĩ này. Lý do là nó có thể được dùng để tạo ra năng lượng với mức giá cạnh tranh 100 USD/kWh - theo Cục năng lượng Hoa Kỳ thì đây là mức giá hấp dẫn nhất để các công ty khai thác.
Một lĩnh vực mà công nghệ trên có thể được áp dụng tốt là lưu trữ năng lượng tái tạo. Quang năng và phong năng là 2 nguồn năng lượng khó dự đoán trong thời gian ngắn, vì vậy việc lưu trữ loại năng lượng này theo quy mô lớn sẽ là nền tảng quan trọng nếu nguồn năng lượng xanh, sạch tiếp tục thỏa mãn nhu cầu năng lượng ngày một tăng của chúng ta.
