Các nhà khoa học Hàn Quốc vừa phát triển một loại phụ gia điện giải mới có khả năng cải thiện đáng kể tuổi thọ và dung lượng của pin nước (aqueous battery) – công nghệ được đánh giá là an toàn hơn và có chi phí thấp hơn so với pin lithium-ion truyền thống.
Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Hoseok Park thuộc Đại học Sungkyunkwan (SKKU) dẫn đầu phát hiện rằng chỉ cần bổ sung một lượng rất nhỏ vật liệu lưỡng cực ion (zwitterion) được thiết kế đặc biệt vào chất điện giải đã có thể giải quyết những rào cản lớn vốn tồn tại nhiều năm qua, khiến pin nước khó được thương mại hóa trên quy mô lớn.
Khác với pin lithium-ion sử dụng chất điện giải hữu cơ dễ cháy, pin nước vận hành bằng dung dịch điện giải gốc nước. Điều này giúp công nghệ trở nên an toàn hơn, thân thiện với môi trường hơn và có tiềm năng giảm đáng kể chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, hiệu suất của pin nước từ lâu bị hạn chế bởi hiện tượng lắng đọng kẽm không ổn định và các phản ứng phụ không mong muốn giữa điện cực kẽm với nước trong quá trình sạc – xả.
Những hiện tượng này có thể gây ăn mòn điện cực, hình thành các cấu trúc kim loại không đồng đều và khiến dung lượng pin suy giảm nhanh chóng theo thời gian, làm giảm tuổi thọ cũng như cản trở việc triển khai ở quy mô lớn.
Một phụ gia cực nhỏ, tạo ra khác biệt rất lớn
Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại phụ gia zwitterion mang tên C10.
Zwitterion là những phân tử đặc biệt chứa đồng thời cả điện tích dương và điện tích âm trong cùng một cấu trúc. Nhờ đặc tính này, chúng có thể tương tác với các ion xung quanh theo những cách mà các vật liệu thông thường không thể thực hiện được.
Khi được bổ sung vào chất điện giải, các phân tử C10 tự động tập hợp thành các cấu trúc nano có đường kính khoảng 3,77 nanomet.
Các cấu trúc nano này thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ quan trọng.
Thứ nhất, chúng định hướng các ion kẽm lắng đọng đồng đều hơn trên bề mặt điện cực, giúp hạn chế sự hình thành các cấu trúc kẽm bất thường có thể làm hỏng pin.
Thứ hai, chúng tạo thành một lớp màng bảo vệ cực mỏng bao phủ bề mặt kim loại kẽm, ngăn kim loại tiếp xúc trực tiếp với nước, từ đó giảm đáng kể hiện tượng ăn mòn và các phản ứng phụ gây suy giảm hiệu suất.
Sự kết hợp của hai cơ chế này đã mang lại những kết quả rất ấn tượng.
Các mẫu pin nước sử dụng chất điện giải cải tiến duy trì hoạt động ổn định trong hơn 2.800 giờ liên tục. Đồng thời, chúng đạt dung lượng bề mặt lên tới 8,10 mAh/cm² – mức mà nhóm nghiên cứu cho biết nằm trong nhóm cao nhất từng được ghi nhận đối với các hệ thống pin nước hiện nay.
“Chúng tôi đã chứng minh rằng hiệu suất của pin nước có thể được cải thiện đáng kể chỉ bằng cách bổ sung một lượng rất nhỏ vật liệu vào chất điện giải, mà không cần sử dụng vật liệu đắt tiền hay các quy trình chế tạo phức tạp”, nhóm nghiên cứu cho biết.
Hướng tới các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn
Trong nhiều năm qua, việc đồng thời nâng cao tuổi thọ và khả năng lưu trữ năng lượng luôn là bài toán khó đối với các nhà phát triển pin nước.
Nhiều giải pháp trước đây chỉ cải thiện được một trong hai yếu tố, nhưng lại làm giảm hiệu suất của yếu tố còn lại.
Theo nhóm nghiên cứu, chiến lược điện giải mới lần này có thể giải quyết đồng thời cả hai vấn đề mà không đòi hỏi thay đổi tốn kém trong quy trình sản xuất.
Các nhà khoa học tin rằng công nghệ này đặc biệt phù hợp với các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn – nơi các tiêu chí về độ an toàn, chi phí và độ bền đóng vai trò quyết định.
“Bên cạnh lưu trữ năng lượng tái tạo, công nghệ này còn có tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn dành cho hạ tầng AI và các trung tâm dữ liệu đang tăng trưởng bùng nổ”, nhóm nghiên cứu nhận định.
Nhu cầu lưu trữ điện năng được dự báo sẽ tiếp tục tăng mạnh trong những năm tới cùng với sự mở rộng của các nguồn năng lượng tái tạo và làn sóng phát triển hạ tầng trí tuệ nhân tạo trên toàn cầu. Cả hai lĩnh vực này đều cần những giải pháp lưu trữ điện an toàn, ổn định và có chi phí hợp lý.
Do phương pháp mới chỉ yêu cầu điều chỉnh thành phần chất điện giải thay vì thiết kế lại toàn bộ cấu trúc pin, các nhà nghiên cứu cho rằng đây có thể là con đường thực tế và khả thi để nâng cao tính thương mại của công nghệ pin nước trong tương lai.
Theo IE
