Các nguồn năng lượng thay thế như gió hay mặt trời thường không mang tính ổn định liên tục. Bên cạnh đó, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người cũng liên tục thay đổi. Chính sự không tương ứng giữa cung và cầu như trên đã tạo thành một rào cản lớn trong việc mở rộng phát triển lĩnh vực sử dụng các nguồn năng lượng thay thế. Nhưng vấn đề này có thể được giải quyết bằng một thiết bị có chi phí rẻ và lưu trữ được một lượng lớn điện năng, giúp bù đắp cho nhu cầu sử dụng trong khoảng thời gian gió ngừng thổi hay ánh nắng không đủ mạnh.
Nhóm các nhà khoa học và kĩ sư tại Đại học Harvard đã phát minh ra một hệ thống pin có khả năng sạc lại nhiều lần, giúp dự trữ điện năng từ những nguồn cung cấp năng lượng không liên tục, ví dụ như năng lượng gió hoặc mặt trời. Hệ thống này khá hiệu quả về mặt chi phí và có thể áp dụng trong hộ gia đình lẫn sử dụng ở quy mô lớn. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu đang hoạch định một mạng lưới dự trữ năng lượng điện với chi phí rẻ dựa trên công nghệ mới này.
Không giống như các loại pin đặc hiện nay, hệ thống pin mới này thuộc loại pin lỏng. Chúng dự trữ năng lượng trong hỗn hợp dung dịch chứa trong các bình chứa ngoài (external tanks), hoạt động tương tự như các pin nhiên liệu (fuel cells). Dung tích của các bình chứa sẽ quyết định lượng điện năng có thể dự trữ.
Bên cạnh đó là thiết bị chuyển đổi điện hóa (electrochemical conversion hardware) giúp vận chuyển dòng dung dịch và có khả năng quyết định mức năng lượng thấp nhất mà hệ thống pin có thể dự trữ. Cả hai thiết bị này đều có thể được điều chỉnh kích thước tùy ý. Khi càng tăng dung tích của bình chứa, lượng điện năng dự trữ sẽ càng được tăng cường.
Chính vì thế, hệ thống này giúp dự trữ được nguồn năng lượng lớn với mức chi phí rẻ, hiệu quả hơn nhiều lần so với các loại pin truyền thống.
Trong cực dương của các loại pin lỏng hiện nay đều cần phải chứa các ion kim loại như chất vanadi tan trong axit. Các kim loại này đều đắt tiền, dễ bị ăn mòn, khó sử dụng, hoạt động chậm nên nhìn chung việc sử dụng loại pin lỏng rất kém hiệu quả.
Các nhà khoa học ở Đại học Harvard đã tiến hành cải tiến pin lỏng bằng cách thay thế kim loại bằng một loại phân tử hữu cơ gọi là quinon. Chất này rất dồi dào trong tự nhiên và dễ dàng kết hợp trong các phản ứng hóa sinh học như quang hợp hay hô hấp tế bào. Các nhà khoa học sử dụng dung dịch quinon trong nước với vai trò là cực âm của hệ thống pin. Trong khi cực dương vẫn sử dụng chất brom tương tự như các loại pin bình thường khác.
Tuy nhiên, chất brom trong cực dương vẫn còn khá độc và dễ bay hơi. Chính vì thế, nhằm khiến cho việc sử dụng hệ thống pin mới trở nên an toàn hơn trong các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh, các nhà khoa học cố gắng thay thế chất brom bằng một chất mới, không độc, không bị ăn mòn là ferrocyanide.
Nhiều người lo lắng vì nghĩ rằng trong chất ferrocyanide có chứa cyanide. Cyanide gây độc tính cho người vì chúng bám vào các phân tử sắt trong cơ thể. Tuy nhiên, trong chất ferrocyanide, chất cyanide đã kết hợp sẵn với phân tử sắt, chính vì thế chúng mất đi khả năng bám vào phân tử sắt trong cơ thể. Chính vì thế, chúng thật sự không hề gây hại.
Bên cạnh đó, các nhà khoa học chọn chất ferrocyanide vì chúng dễ tan và bền trong dung dịch alkaline hơn là dung dịch axit. Chất quinon ở cực âm cũng có những tính chất tương tự. Điều này khiến cho chúng dễ dàng kết hợp với nhau và các nhà khoa học quyết định sử dụng alkaline làm dung dịch môi trường chung thay vì axit như những thế hệ pin trước.
Việc sử dụng chất alkaline mang lại nhiều hiệu quả và lợi ích. Khi dung dịch bị trào hay đổ ra khỏi bình chứa, nó không hề gây nguy hiểm. Bên cạnh đó, alkaline không gây ăn mòn và hệ thống pin sẽ được cấu tạo đơn giản hơn và sử dụng những vật liệu ít tốn kém hơn, ví dụ như nhựa.
Trong quá trình vận hành của hệ thống pin mới này, các electron sẽ được hấp thụ và giải phóng bởi một hỗn hợp các chất hóa học có giá rẻ, các nguyên tố có nhiều trong đất (như cacbon, oxi, nitơ, hidro, sắt, kali), và có khả năng tan trong nước. Hỗn hợp hóa chất này hoàn toàn không độc, không có khả năng cháy và rất dễ dàng chế tạo. Điều này khiến hệ thống pin mới an toàn và có giá thành rẻ hơn nhiều so với các loại pin hiện nay.
Bên cạnh đó, các nhà khoa học kết hợp các loại thuốc nhuộm hữu cơ thông thường cùng với một số chất phụ gia giá rẻ nhằm làm tăng điện thế của pin lên thêm khoảng 50% so với việc sử dụng các vật liệu trước. Kết quả của cuộc nghiên cứu đã tạo ra một hệ thống pin mới có khả năng vận hành cao, không gây cháy, không độc, không bị ăn mòn, và có chi phí rất rẻ.
Nhu cầu về các loại pin dự trữ năng lượng luôn luôn bị thúc đẩy bởi yếu tố kinh tế. Trong lĩnh vực sử dụng năng lượng thay thế, nếu chúng ta không đáp ứng được sự thay đổi trong nhu cầu sử dụng điện, thì nguồn năng lượng được sản xuất ra từ những tấm pa nô mặt trời hay các máy phát điện dùng năng lượng gió sẽ bị lãng phí vô ích.
Ở một số vùng, các hộ gia đình có sử dụng pa nô mặt trời có thề bán lại lượng điện năng dư thừa cho những nơi không đủ điện thông qua một hệ thống máy đo. Tuy nhiên, biện pháp này không bền vững và không mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Hệ thống pin mới này sẽ giúp làm gia tăng tỷ lệ sử dụng nguồn năng lượng thay thế. Nó giúp giải quyết được tình trạng nguồn cung cấp chập chờn không liên tục do không đủ ánh sáng hoặc gió không đủ mạnh. Bên cạnh đó, hệ thống hoàn toàn “xanh”, an toàn với môi trường và sức khỏe của người sử dụng.
Theo Khám Phá
