Pin Kim Loại Lỏng: Bước Đột Phá Mới Của Ngành Năng Lượng Tái Tạo

Một nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusettes, Mỹ đã chế tạo thành công pin mặt trời kim loại lỏng có khả năng lưu trữ mật độ năng lượng cao và cường độ lớn hơn so với pin thông thường. Nghiên cứu mới này được đánh giá là một giải pháp đầy hứa hẹn và hữu ích cho các nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, pin lỏng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm cần khắc phục.

>> Ắc Quy Dùng Cho Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Nên Chọn Pin Axit Chì Hay Lithium?

>> Pin Năng Lượng Mặt Trời Cho Tàu Cá: Giải Pháp Tiết Kiệm Chi Phí

Mô tả chung của pin kim loại lỏng

Ban đầu, các nhà nghiên cứu sử dụng các điện cực kim loại bằng antimon (Sb) và magiê (Mg) kết hợp với một chất điện phân gồm kali clorua (KCl), magiê clorua (MgCl2) và natri clorua (NaCl). Đồng thời nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm một số loại hợp kim thay thế khác nhau để giảm chi phí và cải thiện hiệu suất.

Dựa vào sơ đồ trên, cell pin được cấu tạo bởi một lớp vỏ bọc cách điện bao gồm 2 kim loại antimon và magie, được ngăn cách bởi chất điện phân là muối nóng chảy. Khi được đun nóng hóa lỏng, ba thành phần trên sẽ tự cách ly theo mật độ của chúng và trôi vào ba lớp riêng biệt. Tuy nhiên, các chất điện phân có thể hòa tan cả các kim loại. Do đó, không cần sử dụng màng ngăn như trong các tấm cell thông thường.

Nguyên lý hoạt động của pin kim loại lỏng

Hoạt động xả

Magie đóng vai trò cung cấp các electrons và chu kì xả bắt đầu từ sự dư thừa của các electrons trên các điện cực âm hỗ trợ một điện trường ngang qua cell giữa các điện cực âm và điện cực dương. Trong các lớp điện cực âm và antimon có một số lượng tối đa các magie trong lớp điện cực dương. Trong thời gian xả, điện cực âm magie bị tiêu hao do ion dương Mg2+ di chuyển từ lớp magie phía trên rò rỉ qua chất điện phân để tạo thành hợp kim Mg-Sb với antimon trong lớp phía dưới làm tăng thể tích của nó. Các electron dư thừa trên điện cực âm chảy qua mạch ngoài tới các điện cực dương. Tại đó, các electron trung hòa điện tích dương của các ion dương. Dòng ngoài chảy theo hướng ngược lại của các electron từ điện cực dương đến điện cực âm để cung cấp điện cho tải. Điện áp xả là 0.4V.

Hoạt động sạc

Năng lượng từ nguồn bên ngoài dẫn các electron theo hướng ngược lại, kéo theo các ion magie từ hợp kim Mg-Sb trả lại lớp magiê kim loại trở về lớp trên cùng. Khi sạc xong, điện áp giữa 2 cực vẫn tồn tại sự khác biệt, cung cấp điện  đưa dòng điện qua tải ngoài. Điện áp sạc là 0.55V.

Hiệu suất cell

Đường cong Sạc – Xả

Trong trường hợp, dòng xả là 50 mA/cm2 và điện áp cell là 0.4V, 100cm2 diện tích cell sẽ cung cấp được 2W hoặc 200W/m2.

Đồ thị phía dưới thể hiện việc tăng dòng xả cell dẫn đến hai điện áp và dung lượng cell giảm mạnh.

Ban đầu, hiệu suất Coulombs của quá trình hóa học Mg – Sb đạt khoảng 98%, không tính đến phần năng lượng bị tiêu hao, khi duy trì nhiệt độ cao của cell, hiệu suất hai chiều sạc – xả của cell là khoảng 69%.

Nếu điện áp cell thấp, đồng nghĩa với việc cần phải có một số lượng lớn cell để tạo ra pin dung lượng cao. Tuy nhiên, nhờ vào mật độ dòng cao của từng cell, công nghệ cell mới này sẽ tốt hơn rất nhiều so với cell thông thường khác.

Ưu điểm của pin kim loại lỏng

+ Mật độ dòng cao, khả năng cung cấp dòng cao

+ Vận hành đơn giản

+ Chi phí nguyên vật liệu thấp

+ Vòng đời kéo dài có thể hơn 10.000 chu kì

+ Thời gian phản ứng với tất cả các pin điện hóa nhanh

+ Thiết kế theo module, có thể chế tạo được kích thước lớn lên đến nhiều megawatt

+ Không cần hệ thống quản lý giám sát năng lượng pin BMS

Ứng dụng pin kim loại lỏng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo

Các nhà khoa học Viện Công nghệ Massachusettes, Mỹ mới đây đã nghiên cứu thành công một loại pin đặc biệt sử dụng kim loại lỏng để lưu trữ năng lượng tái tạo. Loại pin này sử dụng kim loại lỏng và dung dịch chất điện phân cùng với antimon có hiệu suất cao để làm điện cực nóng chảy.

Pin sử dụng 2 lớp kim loại nóng chảy ở 2 đầu điện cực được ngăn cách bởi một lớp natri clorua nóng chảy. Nguyên lí hoạt động tương tự như pin thông thường khi cho phép các hạt electron đi qua pin khi pin được sạc và xả.

So với những loại pin thông thường, pin sử dụng kim loại lỏng có dễ sản xuất hơn và có vòng đời dài hơn, hiệu quả cao hơn giúp lưu trữ những nguồn điện năng rất lớn. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của loại pin này đó chính là nhiệt độ nóng chảy của hợp kim antimon rất cao, lên tới 700 độ C.

Để khắc phục hạn chế đó, tiến sĩ Sadoway đã sử dụng hợp kim của antimon và một lượng nhỏ chì giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy xuống 450-500 độ C, ngoài ra còn giúp sản phẩm giảm giá thành. Mô hình của Sadoway có các điện cực âm là lithium lỏng và chất điện phân là hỗn hợp muối nóng chảy và điện cực dương là hợp kim nóng chảy của antimon và chì.

Hợp kim của antimon giúp tăng hiệu năng lưu trữ điện lên tới 70% năng lượng nạp vào. Bên cạnh đó, kéo dài vòng đời sản phẩm, sau 10 năm sử dụng, hiệu suất của pin chỉ giảm khoảng 15%. TS Sadoway và cộng sự đang nghiên cứu xem xét các loại hợp kim khác nhằm tăng thêm hiệu suất của loại pin thế hệ mới này.

>> Hàng Loạt Ứng Dụng Năng Lượng Mặt Trời Trong Đời Sống Hàng Ngày

>> Bán Tấm Pin Năng Lượng Mặt Trời Nhập Khẩu Chính Hãng Toàn Quốc

Kết quả nghiên cứu pin kim loại lỏng của nhóm khoa học Viện Công nghệ Massachusettes đã được công bố trên tạp chí Nature. Đây có thể coi là một bước tiến lớn cho phép những nguồn năng lượng tái tạo có thể lưu trữ mà vẫn đảm bảo sản xuất liên tục.

Nguồn: https://solarmcgroup.com/

Phạm Hữu Tùng Lâm

Tôi là Phạm Hữu Tùng Lâm – chuyên viên tư vấn của Mạnh Cường Group về lĩnh vực Điện Năng Lượng Mặt Trời. Với kinh nghiệm 5 năm trực tiếp tư vấn và tham gia vào nhiều dự án lớn, nhỏ trên toàn quốc cũng như nước ngoài, tôi hy vọng những chia sẻ của tôi có thể giúp ích cho các bạn, giúp các bạn có được cái nhìn tổng quan hơn về sự cần thiết của Năng Lượng Mặt Trời. Nếu có gì còn thắc mắc các bạn vui lòng liên hệ qua số hotline hoặc comment trực tiếp vào bài viết để tôi có thể giải đáp cho các bạn ạ!