Cải thiện hiệu quả năng lượng pin lithium-không khí
Những tiến bộ trong công nghệ pin lithium sẽ đứng đầu mọi danh sách xu hướng về lưu trữ năng lượng.
Pin lithium không thân thiện với môi trường và ngày càng khó để theo kịp nhu cầu sử dụng lithium ngày càng tăng.
Tìm kiếm giải pháp thay thế cho lithium cũng là một xu hướng lớn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng máy biến tần.
Pin lithium-không khí được đánh giá là công nghệ đầy hứa hẹn dành cho công nghiệp sản xuất ô tô điện và các thiết bị điện tử cầm tay do tiềm năng cung cấp hiệu suất năng lượng cao tỷ lệ với trọng lượng của thiết bị. Tuy nhiên, loại pin này có một số nhược điểm như: tiêu tốn nhiều năng lượng đưa vào ở dạng nhiệt và sụt pin rất nhanh.
Bên cạnh đó, sử dụng pin này đòi hỏi phải có các linh kiện phụ trợ có giá thành cao để bơm khí oxy vào và ra, trong một cấu hình pin mở, đặc điểm này khác xa so với kiểu pin kín thông thường.
Tuy nhiên, một biến thể mới của hóa pin, được sử dụng với vai trò của kiểu pin kín hoàn toàn theo cách thông thường hứa hẹn có hiệu suất lý thuyết giống với pin lithium-không khí cũng như có thể khắc phục các khiếm khuyến trên.
“Một trong những nhược điểm của pin lithium-không khí là điện áp sạc và xả pin trong quá trình sạc và xả pin không khớp nhau. Điện áp đầu ra của pin nhỏ hơn 1,2V so với điện áp sạc vào, cho thấy có sự tổn thất năng lượng khá lớn phát sinh trong mỗi chu kỳ sạc. “Bạn lãng phí 30% năng lượng điện ở dạng nhiệt trong quá trình sạc... Thậm chí trong trường hợp bạn sạc nhanh thì có thể dẫn đến nguy cơ cháy, nổ”,
Pin lithium-không khí thông thường hút oxy từ không khí bên ngoài vào để chạy phản ứng hóa học với lithium của pin trong chu kỳ xả pin, oxy này sau đó sẽ được giải phóng trở lại vào khí quyển trong suốt phản ứng đạo chiều của chu kỳ sạc.
Bước tiến này giúp khắc phục một vấn đề khác của pin lithium-không khí: Khi phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình sạc và xả chuyển đổi oxy giữa dạng khí và dạng rắn, vật chất sẽ trải qua sự biến đổi về thể tích lớn đến mức có thể phá vỡ các đường dẫn điện trong cấu trúc, hiện tượng này ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của pin.
Bí quyết của công thức chế tạo pin mới là tạo ra các hạt siêu nhỏ với kích thước nanomet (nm), chứa lithium và oxy ở dạng thủy tinh, được đặt vào trong một khuôn oxit coban. Các nhà nghiên cứu gọi các hạt này là nanolithia. Ở dạng này, quá trình chuyển đổi giữa LiO2, Li2O2, và Li2O hoàn toàn có thể xảy ra bên trong vật chất rắn.
Trên thực tế, các hạt nanolithia không ổn định nên nhóm nghiên cứu nhúng chúng vào khuôn oxit coban, một vật liệu giống như bọt biển với các lỗ có đường kính chỉ vài nm. Khuôn có tác dụng giúp cố định các hạt, đồng thời, đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình chuyển đổi.
Nhóm nghiên cứu cho biết loại pin mới được thiết kế nhằm tránh trường hợp sạc quá tải. Do theo lẽ thông thường, phản ứng hóa học trong trường hợp này tự giới hạn hoạt động, nên khi pin bị quá tải, phản ứng sẽ chuyển sang dạng khác nhằm tránh rủi ro.
Trong thử nghiệm chu kỳ pin, một loại pin mới phiên bản phòng thí nghiệm được hoàn thành với 120 chu kỳ sạc-xả, kết quả cho thấy tổn thất công suất ít hơn 2%. Điều này chứng tỏ rằng tuổi thọ hữu dụng của pin là tương đối dài. Bởi vì thao tác lắp đặt và vận hành pin cũng giống như pin rắn thông thường mà không cần bất kỳ chi tiết phụ trợ cho pin lithium-không khí, chúng có thể dễ dàng thích ứng với cách lắp đặt hiện tại hay với bộ pin thông thường thiết kế cho ô tô, đồ điện tử hay thậm chí là lưu điện ở quy mô mạng lưới.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng cho biết: “Do các catot “oxy rắn” này nhẹ hơn nhiều so với các catot pin thông thường nên thiết kế pin mới có thể dự trữ lượng năng lượng gấp đôi đối với trọng lượng catot nhất định. Và với thiết kế được đánh giá là tinh tế hơn, pin mới cũng có thể đạt công suất gấp đôi”.
Loại pin mới được hoàn thiện mà không cần thêm bất kỳ chi tiết hay vật liệu đắt tiền nào. Cacbonat được sử dụng làm chất điện phân dạng lỏng trong loại pin này cũng là là “loại chất điện phân rẻ tiền nhất”,
Nhóm nghiên cứu hy vọng có thể chuyển đổi khái niệm mới từ phạm vi phòng thí nghiệm thành nguyên mẫu có thể được áp dụng trong thực tế trong vòng 1 năm tới.
“Trong hệ thống này, chất điện phân gốc cacbonat thương mại hoạt động rất hiệu quả với chuyện động tịnh tiến đảo chiều của peoxit hòa tan, và phải hoạt động với tình trạng thiếu khí O2 trong hệ thống kín này - đặc điểm này khá ấn tượng. Tất cả khối catot trong suốt chu kỳ ở dạng rắn, điều này không chỉ cho thấy mật độ năng lượng lớn mà còn cho thấy tính tương thích với hạ tầng sản xuất pin hiện tại”.
Những tiến bộ trong công nghệ pin lithium sẽ đứng đầu mọi danh sách xu hướng về lưu trữ năng lượng.
Pin lithium không thân thiện với môi trường và ngày càng khó để theo kịp nhu cầu sử dụng lithium ngày càng tăng.
Tìm kiếm giải pháp thay thế cho lithium cũng là một xu hướng lớn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng máy biến tần.
Pin lithium-không khí được đánh giá là công nghệ đầy hứa hẹn dành cho công nghiệp sản xuất ô tô điện và các thiết bị điện tử cầm tay do tiềm năng cung cấp hiệu suất năng lượng cao tỷ lệ với trọng lượng của thiết bị. Tuy nhiên, loại pin này có một số nhược điểm như: tiêu tốn nhiều năng lượng đưa vào ở dạng nhiệt và sụt pin rất nhanh.
Bên cạnh đó, sử dụng pin này đòi hỏi phải có các linh kiện phụ trợ có giá thành cao để bơm khí oxy vào và ra, trong một cấu hình pin mở, đặc điểm này khác xa so với kiểu pin kín thông thường.
Tuy nhiên, một biến thể mới của hóa pin, được sử dụng với vai trò của kiểu pin kín hoàn toàn theo cách thông thường hứa hẹn có hiệu suất lý thuyết giống với pin lithium-không khí cũng như có thể khắc phục các khiếm khuyến trên.
“Một trong những nhược điểm của pin lithium-không khí là điện áp sạc và xả pin trong quá trình sạc và xả pin không khớp nhau. Điện áp đầu ra của pin nhỏ hơn 1,2V so với điện áp sạc vào, cho thấy có sự tổn thất năng lượng khá lớn phát sinh trong mỗi chu kỳ sạc. “Bạn lãng phí 30% năng lượng điện ở dạng nhiệt trong quá trình sạc... Thậm chí trong trường hợp bạn sạc nhanh thì có thể dẫn đến nguy cơ cháy, nổ”,
Pin lithium-không khí thông thường hút oxy từ không khí bên ngoài vào để chạy phản ứng hóa học với lithium của pin trong chu kỳ xả pin, oxy này sau đó sẽ được giải phóng trở lại vào khí quyển trong suốt phản ứng đạo chiều của chu kỳ sạc.
Bước tiến này giúp khắc phục một vấn đề khác của pin lithium-không khí: Khi phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình sạc và xả chuyển đổi oxy giữa dạng khí và dạng rắn, vật chất sẽ trải qua sự biến đổi về thể tích lớn đến mức có thể phá vỡ các đường dẫn điện trong cấu trúc, hiện tượng này ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của pin.
Bí quyết của công thức chế tạo pin mới là tạo ra các hạt siêu nhỏ với kích thước nanomet (nm), chứa lithium và oxy ở dạng thủy tinh, được đặt vào trong một khuôn oxit coban. Các nhà nghiên cứu gọi các hạt này là nanolithia. Ở dạng này, quá trình chuyển đổi giữa LiO2, Li2O2, và Li2O hoàn toàn có thể xảy ra bên trong vật chất rắn.
Trên thực tế, các hạt nanolithia không ổn định nên nhóm nghiên cứu nhúng chúng vào khuôn oxit coban, một vật liệu giống như bọt biển với các lỗ có đường kính chỉ vài nm. Khuôn có tác dụng giúp cố định các hạt, đồng thời, đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình chuyển đổi.
Nhóm nghiên cứu cho biết loại pin mới được thiết kế nhằm tránh trường hợp sạc quá tải. Do theo lẽ thông thường, phản ứng hóa học trong trường hợp này tự giới hạn hoạt động, nên khi pin bị quá tải, phản ứng sẽ chuyển sang dạng khác nhằm tránh rủi ro.
Trong thử nghiệm chu kỳ pin, một loại pin mới phiên bản phòng thí nghiệm được hoàn thành với 120 chu kỳ sạc-xả, kết quả cho thấy tổn thất công suất ít hơn 2%. Điều này chứng tỏ rằng tuổi thọ hữu dụng của pin là tương đối dài. Bởi vì thao tác lắp đặt và vận hành pin cũng giống như pin rắn thông thường mà không cần bất kỳ chi tiết phụ trợ cho pin lithium-không khí, chúng có thể dễ dàng thích ứng với cách lắp đặt hiện tại hay với bộ pin thông thường thiết kế cho ô tô, đồ điện tử hay thậm chí là lưu điện ở quy mô mạng lưới.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng cho biết: “Do các catot “oxy rắn” này nhẹ hơn nhiều so với các catot pin thông thường nên thiết kế pin mới có thể dự trữ lượng năng lượng gấp đôi đối với trọng lượng catot nhất định. Và với thiết kế được đánh giá là tinh tế hơn, pin mới cũng có thể đạt công suất gấp đôi”.
Loại pin mới được hoàn thiện mà không cần thêm bất kỳ chi tiết hay vật liệu đắt tiền nào. Cacbonat được sử dụng làm chất điện phân dạng lỏng trong loại pin này cũng là là “loại chất điện phân rẻ tiền nhất”,
Nhóm nghiên cứu hy vọng có thể chuyển đổi khái niệm mới từ phạm vi phòng thí nghiệm thành nguyên mẫu có thể được áp dụng trong thực tế trong vòng 1 năm tới.
“Trong hệ thống này, chất điện phân gốc cacbonat thương mại hoạt động rất hiệu quả với chuyện động tịnh tiến đảo chiều của peoxit hòa tan, và phải hoạt động với tình trạng thiếu khí O2 trong hệ thống kín này - đặc điểm này khá ấn tượng. Tất cả khối catot trong suốt chu kỳ ở dạng rắn, điều này không chỉ cho thấy mật độ năng lượng lớn mà còn cho thấy tính tương thích với hạ tầng sản xuất pin hiện tại”.