Những tiến bộ của ORNL trong nghiên cứu pin lưu lượng cho thấy cách thức các điều chỉnh trong chất điện phân gốc glyme (màu vàng, đỏ và xanh lá cây) có thể tăng cường hiệu quả lưu trữ năng lượng. Ảnh: Guang Yang và Wenda Wu/ORNL, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ

Các nguồn năng lượng tiếp tục phát triển mạnh mẽ, đóng góp thêm nhiều điện năng vào lưới điện mỗi năm. Thách thức ngày càng lớn là làm thế nào để lưu trữ năng lượng này ở quy mô lớn để sử dụng sau này. Đáp ứng nhu cầu này ở quy mô lưới điện sẽ đòi hỏi sự kết hợp giữa các vật liệu đáng tin cậy, giá cả phải chăng, dễ tiếp cận trên một nền tảng có thể mở rộng, dễ sản xuất và bảo trì.

Nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực liên tục của ORNL nhằm thúc đẩy các công nghệ năng lượng mới được thiết kế để tăng cường lưới điện đồng thời giải phóng nguồn điện giá cả phải chăng - cũng sẽ giúp thúc đẩy sự độc lập về năng lượng của Hoa Kỳ và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế.

“Chúng ta cần xây dựng hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện đáng tin cậy và mạnh mẽ,” Guang Yang của ORNL, người đứng đầu nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters cùng với Wenda Wu của ORNL, cho biết. “Điều này đặc biệt quan trọng để giải quyết tình trạng thiếu điện trong các hiện tượng thời tiết cực đoan, chẳng hạn như bão, lũ lụt và bão tuyết. Mục tiêu là tạo ra một lưới điện mạnh mẽ hơn, có thể khôi phục điện cho các cộng đồng càng sớm càng tốt sau thảm họa thiên nhiên.”

Những hạn chế của pin lithium-ion đối với việc lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện

Mặc dù pin lithium-ion là thứ mà nhiều người trong chúng ta nghĩ đến khi nói về lưu trữ năng lượng, nhưng chúng không có khả năng thực hiện nhiệm vụ này ở quy mô lớn hơn nhiều. Thay vì sử dụng dung dịch lỏng, chúng dựa vào vật liệu rắn. Chúng chiếm lĩnh thị trường điện thoại, thiết bị điện tử và xe điện, nhưng chi phí và các vấn đề an toàn hạn chế vai trò của chúng trong lưu trữ năng lượng, đặc biệt là ở quy mô lớn.

Tiếp theo là chất điện giải — chất lỏng cho phép các ion di chuyển từ cực dương sang cực âm của pin. Các ion mang điện tích trong “pin dòng chảy”, loại pin này sạc và xả liên tục trong suốt vòng đời của pin. Một yếu tố quan trọng trong việc cải thiện độ ổn định chu kỳ — khả năng giữ lại phần trăm điện tích ban đầu cao trong nhiều chu kỳ sạc và xả — chính là thành phần hóa học của chất điện giải.

“Trong pin lithium-ion, một “cấu trúc trung tâm” bao gồm trạm phát điện trung tâm, với các điện cực, màng ngăn và vật liệu rắn có thể lưu trữ và giải phóng năng lượng,” Wu nói. “Tuy nhiên, trong pin dòng chảy, chất lỏng thay vì chất rắn cung cấp năng lượng cho hệ thống.”

Các chất điện phân lỏng chứa các vật liệu đặc biệt  trong nghiên cứu này là lưu huỳnh, hòa tan trong một số dung môi nhất định, cùng với các muối hỗ trợ, để tạo ra độ dẫn điện. Chất điện phân được chứa trong các bể chứa bên ngoài cụm trung tâm phát điện.

“Cấu trúc độc đáo của pin dòng chảy tách biệt bình chứa khỏi lớp vỏ trung tâm, cho phép chúng tôi điều chỉnh một thông số mà không ảnh hưởng đến thông số khác,” Wu cho biết.

Các dung dịch điện giải được cải tiến đã được điều chế bằng nhiều loại glyme, hay dung môi ete lỏng. Glyme thuộc một nhóm hợp chất hữu cơ đa năng, nổi tiếng với độ ổn định cao, độ bay hơi thấp và khả năng hòa tan nhiều chất, đặc biệt là muối.

Yang, Wu và các đồng nghiệp đang nghiên cứu các loại glyme khác nhau để xác định loại nào có thể cải thiện tốt nhất hiệu suất của pin dòng chảy trong hàng trăm chu kỳ sạc/xả. Hiệu ứng dung môi, hay tác động của từng dung môi lên các tính chất và hành vi của phân tử, giúp làm sáng tỏ tính khả thi của các cấu hình glyme khác nhau.

Các glyme trong nghiên cứu này chứa số lượng nguyên tử oxy khác nhau. Theo phát hiện của Yang và Wu, kích thước của các phân tử glyme ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vật liệu lưu huỳnh thâm nhập vào lớp ngăn cách ở giữa. Sự thâm nhập này khiến pin mất năng lượng dự trữ, vì rào cản giữa cực dương và cực âm bị phá vỡ.

Bằng cách so sánh ba loại dung môi glyme khác nhau, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng dung môi glyme có số lượng nguyên tử oxy lớn nhất có hiệu quả nhất trong việc giảm sự xâm nhập không mong muốn của các vật liệu chứa lưu huỳnh.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng dung môi glyme tham gia vào sự chuyển động của các ion bên trong pin. Một loại dung môi được thiết kế tốt hơn có thể kiểm soát sự thâm nhập của các vật liệu lưu huỳnh và tăng tốc độ chuyển động của các chất mang điện tích trong hệ thống.

Yang và Wu đã chứng minh rằng một số loại pin lưu lượng điện phân hoạt động tốt nhờ kim loại natri giá rẻ và vật liệu lưu huỳnh dồi dào. Cùng nhau, họ tạo ra một giải pháp lưu trữ năng lượng ngày càng hấp dẫn thay thế cho các mô hình pin lưu lượng hiện nay, vốn đang vận hành các lưới điện và nhà máy điện khổng lồ nhưng lại phụ thuộc vào vanadi, một nguyên tố kim loại hiếm.

“Vanadi nằm trong danh sách các khoáng sản thiết yếu của chính phủ Mỹ,” ông Yang nói. “Nó rất đắt tiền, và Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã đặt ra mục tiêu liên quan đến chi phí. Đến năm 2035, chúng ta phải giảm chi phí điện năng xuống còn 5 xu/kilowatt-giờ/chu kỳ. Vanadi có giá khoảng 18 xu/kWh/chu kỳ. Rõ ràng, chỉ sử dụng hệ thống pin lưu lượng dựa trên vanadi truyền thống, đã được thương mại hóa, chúng ta sẽ không bao giờ đạt được mục tiêu đó.”

Chúng ta cần xây dựng hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện đáng tin cậy và mạnh mẽ. Điều này đặc biệt quan trọng để giải quyết tình trạng thiếu điện trong các hiện tượng thời tiết cực đoan, chẳng hạn như bão, lũ lụt và bão tuyết. Mục tiêu là tạo ra một lưới điện mạnh mẽ hơn, có thể khôi phục điện cho các cộng đồng càng sớm càng tốt sau thảm họa thiên nhiên. – Guang Yang, nhà khoa học vật liệu điện hóa tại ORNL

Pin lưu trữ năng lượng natri-lưu huỳnh: một giải pháp thay thế chi phí thấp cho hệ thống lưu trữ năng lượng lưới điện.

Chi phí thấp và nguồn nguyên liệu dồi dào sẽ là hai chìa khóa quan trọng cho các phương pháp đổi mới, giúp Mỹ duy trì vị thế dẫn đầu trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng lưới điện ở quy mô lớn. Yang và Wu rất hào hứng với việc sử dụng natri và lưu huỳnh trong thiết kế pin lưu lượng điện phân của họ. Cả hai nguyên tố này đều dễ kiếm và rẻ hơn nhiều so với vanadi hoặc thậm chí cả lithi.

Bằng cách phân tích kết quả mô phỏng dựa trên lý thuyết, các nhà nghiên cứu đã đạt được sự hiểu biết sâu sắc ở cấp độ phân tử về chức năng và tính khả thi của pin dòng chảy.

“Chúng tôi đã có một số phát hiện rất thú vị trong quá trình nghiên cứu,” Yang cho biết. Cấu trúc dung môi có thể ảnh hưởng đến các phản ứng polysulfide, từ đó ảnh hưởng đến sự thẩm thấu qua màng ngăn. Hơn nữa, việc thay đổi dung môi glyme bằng cách điều chỉnh chiều dài chuỗi phân tử và hàm lượng oxy sẽ làm thay đổi các vật liệu hoạt động (và phản ứng) bên trong chất điện phân. Ngoài ra, việc hạn chế các phản ứng polysulfide trong chuỗi polymer dài hơn góp phần vào sự ổn định lâu dài, kéo dài tuổi thọ pin.

Thúc đẩy sự độc lập về năng lượng của Hoa Kỳ thông qua nghiên cứu pin lưu lượng tiên tiến.

Các bước tiếp theo quan trọng đối với nhóm nghiên cứu bao gồm việc phát triển các màng pin lưu lượng nhiều lớp phức tạp hơn, nhằm đẩy giới hạn tối đa về hiệu suất quy mô lưới điện, dung lượng lưu trữ năng lượng và khả năng giữ năng lượng, về cơ bản cho phép tạo ra một loại pin lớn hơn, tốt hơn.

“Hệ thống natri-lưu huỳnh vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng, ngay cả tại phòng thí nghiệm của chúng tôi,” Wu cho biết. “Điều thú vị nhất là khả năng của chúng tôi trong việc liên tục tạo ra và thử nghiệm các nguyên mẫu ngày càng tốt hơn để hiểu sâu hơn, vượt qua các giới hạn và khám phá những điều mới mẻ.”