Loại pin sạc dòng mới có thể chạy trong hơn 1 thập kỷ

Nghiên cứu, được công bố trong tạp chí ACS Energy Letters, được dẫn đầu bởi Michael Aziz, Giáo sư Vật liệu và Công nghệ Năng lượng Gene và Tracy Sykes và Roy Gordon, giáo sư hóa học và giáo sư khoa học vật liệu Thomas Dudley Cabot.

Loại pin này lưu trữ năng lượng trong dung dịch chất lỏng trong thùng bên ngoài – thùng càng lớn thì năng lượng càng nhiều. Loại pin là một giải pháp lưu trữ đầy hứa hẹn cho các năng lượng tái tạo, năng lượng liên tục như gió và năng lượng mặt trời nhưng các pin sạc dòng hiện nay thường bị suy giảm khả năng lưu trữ năng lượng sau một số chu kỳ nạp-xả, đòi hỏi phải bảo dưỡng định kỳ các chất điện phân để khôi phục năng lực.

Bằng cách thay đổi cấu trúc của các phân tử được sử dụng trong các dung dịch điện giải dương và âm, và làm cho chúng “uống” hòa tan trong nước, nhóm nghiên cứu Harvard đã có thể thiết kế một loại pin mà mất chỉ có 1% khả năng trên 1000 chu kỳ.

"Pin Lithium ion thậm chí còn không tồn tại được sau 1000 chu kỳ sạc / xả" Aziz nói.

"Bởi vì chúng tôi đã có thể hòa tan các chất điện giải trong nước trung tính, đây là một pin lâu dài mà bạn có thể đặt trong tầng hầm của bạn", Gordon nói. "Nếu nó để trên sàn nhà, nó sẽ không ăn bê tông và vì môi trường là không ăn mòn, bạn có thể sử dụng vật liệu rẻ tiền để xây dựng các thành phần của pin, giống như những chiếc bể nước và hệ thống máy bơm."

Mức giảm chi phí là quan trọng. Bộ Năng lượng (DOE) cũng đã đặt mục tiêu xây dựng một pin có thể lưu trữ năng lượng chi phí thấp hơn $ 100 cho mỗi kilowatt-giờ, và sẽ làm cho lưu lượng gió và năng lượng mặt trời có thể cạnh tranh với năng lượng được sản xuất từ ​​các nhà máy điện truyền thống.

"Nếu bạn có thể đạt được mức chi phí này thì bạn có thể thay đổi thế giới", Aziz nói. "Và chúng ta sẽ có hiệu quả về chi phí dù đặt pin ở bất cứ nơi đâu. Nghiên cứu này đưa chúng tôi một bước gần hơn với mục tiêu đó."

"Công việc này trên điện hữu cơ hòa tan trong dung dịch nước có tầm quan trọng cao trong việc định hướng các loại pin trong tương lai được cải tiến đáng kể tuổi thọ theo chu kỳ và chi phí thấp hơn đáng kể", Imre Gyuk, Giám đốc nghiên cứu lưu trữ năng lượng tại Văn phòng điện của DOE nói. "Tôi hy vọng rằng hiệu quả, thời gian dài pin sạc dòng sẽ trở thành tiêu chuẩn như là một phần của cơ sở hạ tầng của lưới điện."

Chìa khóa để thiết kế pin là đầu tiên tìm ra lý do tại sao các phân tử trước đây đã xuống cấp nhanh chóng trong các dung dịch trung tính, theo Eugene Beh, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và là tác giả của bài báo. Bằng cách đầu tiên xác định cách thức phân tử viologen trong chất điện phân âm cực phân hủy, Beh đã có thể sửa đổi cấu trúc phân tử của để làm cho phân tử vững vàng hơn.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu quay sang ferrocen, một phân tử được biết đến với đặc tính điện hóa của nó, cho các điện cực.

"Ferrocene là rất tốt cho việc lưu trữ nhưng là hoàn toàn không tan trong nước," Beh nói. "Nó đã được sử dụng trong các loại pin khác với các dung môi hữu cơ, thường dễ cháy và tốn kém."

Nhưng bởi chức năng hóa phân tử ferrocen tương tự như với viologen, nhóm nghiên cứu đã có thể biến một phân tử không hòa tan thành một phân tử hòa tan có thể được quay vòng ổn định.

"Dung dịch nước ferrocenes tan đại diện cho một lớp hoàn toàn mới của các phân tử cho pin sạc dòng", Aziz nói.

Độ pH trung tính nên đặc biệt hữu ích trong việc giảm chi phí của các màng chọn lọc ion phân cách hai bên của pin. Hầu hết các pin sạc dòng hiện nay sử dụng polyme đắt tiền mà có thể chịu được các chất hóa học dương cực bên trong pin. Những màng polyme có thể chiếm đến một phần ba trong tổng chi phí của thiết bị. Với bản chất muối nước trên cả hai mặt của màng tế bào, polyme đắt tiền có thể được thay thế bởi các hydrocarbon rẻ.

Nghiên cứu này đồng tác giả bởi Diana De Porcellinis, Rebecca Gracia, và Kay Xia. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Ổn định Năng lượng và phân phối điện năng của DOE và của dự án nghiên cứu nâng cao năng lượng Bộ Năng lượng Mỹ.

Với sự hỗ trợ từ Văn phòng Phát triển Công nghệ (OTD) của Harvard, các nhà nghiên cứu đang làm việc với một số công ty để mở rộng quy mô các công nghệ cho các ứng dụng công nghiệp và để tối ưu hóa sự tương tác giữa các màng tế bào và các chất điện giải. Harvard OTD đã nộp một danh mục cấp bằng sáng chế về đổi mới trong công nghệ pin sạc dòng.