Các nhà khoa học tại Đại học Monash ở Úc đã thiết kế một loại pin lỏng nhanh, an toàn cho điện mặt trời tại gia. Hệ thống này có thể vượt trội hơn so với các lựa chọn lithium-ion đắt đỏ.

Các kỹ sư đã tạo ra một loại pin dùng nước, được thiết kế nhằm giúp việc lưu trữ điện mặt trời trên mái nhà ở các hộ gia đình Úc trở nên an toàn hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn.

Loại “pin dòng chảy” thế hệ mới này mở đường cho những hệ thống năng lượng nhỏ gọn, hiệu suất cao phù hợp với hộ gia đình và dự kiến có chi phí thấp hơn nhiều so với các bộ pin lithium-ion hiện nay, vốn được bán với giá khoảng 10.000 USD.

Đột phá trong thiết kế màng ngăn

Mặc dù pin dòng chảy (flow batteries) đã tồn tại hàng thập kỷ, chúng chủ yếu bị giới hạn ở các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn do cồng kềnh và thời gian sạc chậm.

Wanqiao Liang, tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, giải thích rằng màng ngăn được thiết kế lại đã giải quyết hạn chế về tốc độ, giúp công nghệ này trở nên khả thi cho hộ gia đình và tạo vị thế cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường năng lượng tái tạo.

“Chúng tôi đã sử dụng một loại hóa chất an toàn, giá rẻ và khiến nó đủ nhanh để kịp hấp thụ điện mặt trời trên mái nhà theo thời gian thực,” cô Wanqiao nói.

“Chúng tôi đã thiết kế một loại màng ngăn giúp pin dòng chảy hữu cơ cuối cùng có thể cạnh tranh trong lưu trữ năng lượng quy mô hộ gia đình và trung bình. Nó mở ra cánh cửa cho những hệ thống không chỉ rẻ hơn, mà còn an toàn hơn và dễ mở rộng quy mô hơn.”

Vượt chuẩn ngành công nghiệp

Mặc dù đã có một số công ty sản xuất pin dòng chảy, phiên bản do Monash phát triển khác biệt ở chỗ kết hợp được cả ba yếu tố: an toàn, giá thành phải chăng và hiệu năng nhanh chóng. Rất ít hệ thống trên thế giới đạt được sự cân bằng này.

“Chìa khóa nằm ở chỗ cải thiện khả năng chọn lọc ion: cho phép các ion tốt đi qua nhanh chóng trong khi chặn các ion không mong muốn. Màng ngăn mới của chúng tôi đạt được sự cân bằng này, cho phép vận hành nhanh và ổn định ngay cả ở mật độ dòng cao,” cô Wanqiao cho biết.

“Chúng tôi đã vượt trội hơn màng Nafion – tiêu chuẩn ngành – cả về tốc độ lẫn độ ổn định: vận hành 600 chu kỳ dòng cao mà gần như không mất dung lượng – đây là bước tiến lớn cho loại pin này.” Wanqiao nhấn mạnh rằng sự cân bằng cẩn trọng là yếu tố then chốt để loại pin này phù hợp với điện mặt trời tại gia.

“Đây là loại pin mà bạn muốn để trong gara nhà mình,” Wanqiao nói. “Nó không độc hại, không dễ cháy, làm từ vật liệu phong phú, và vẫn hấp thu kịp nguồn điện mặt trời trong một ngày nắng.”

Hiện nhóm nghiên cứu đang in 3D các hệ thống nguyên mẫu và thử nghiệm trong điều kiện thực tế. “Nếu các nguyên mẫu tiếp tục hoạt động đúng như mong đợi, sản phẩm này có thể có mặt trên thị trường chỉ trong vài năm tới,” cô Wanqiao cho biết.

Cách pin dòng chảy hoạt động

Tiến sĩ Cara Doherty, đồng tác giả nghiên cứu từ cơ quan nghiên cứu khoa học quốc gia Úc CSIRO, cho biết pin dòng chảy lưu trữ năng lượng trong chất lỏng thay vì trong vật liệu rắn như pin lithium-ion, nhờ đó rẻ hơn để sản xuất, an toàn hơn để vận hành và dễ dàng mở rộng.

“Pin dòng chảy hoạt động giống như hai bể cá nối với nhau bằng một màng ngăn cho phép ion đi qua, nhờ vậy có thể lưu trữ và giải phóng năng lượng,” bà Doherty nói.

“Chúng tôi đã phát triển một loại màng mới bên trong pin giúp dòng vật liệu di chuyển tốt hơn – giống như thêm làn đường trên xa lộ. Điều đó có nghĩa là sạc nhanh hơn, tuổi thọ pin dài hơn và hiệu năng tổng thể tốt hơn.”

Năm 2018, Monash đã lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng redT công suất 1 MWh (nay là Invinity Energy) – hệ thống thương mại lớn nhất đặt sau công tơ tại Úc và là loại đầu tiên trên thế giới – như một phần cốt lõi của lưới điện siêu nhỏ tại khuôn viên trường ở Clayton. Lưới điện siêu nhỏ này đóng vai trò trung tâm trong mục tiêu của Đại học Monash nhằm tự chủ năng lượng 100% và là yếu tố then chốt để đạt phát thải ròng bằng 0 vào năm 2030.

Giờ đây, Monash lại trở thành nơi khai sinh bước tiến lớn tiếp theo trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng sạch.

Tác giả chính của nghiên cứu, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Monash, Wanqiao Liang. Ảnh: Monash University

Các nhà nghiên cứu ở Úc đã tạo ra một loại “pin dòng chảy” dùng nước mới, có thể thay đổi cách các hộ gia đình lưu trữ điện mặt trời trên mái nhà. Ảnh: Stock