Pin kẽm - iốt sạc đầy trong 3 phút, an toàn và 'sạch' hơn pin lithium-ion

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Flinders, Australia, phát triển loại pin sạc kẽm - iốt dùng chất điện phân nước (AZIB) có hiệu suất cao, an toàn và bền vững, hướng tới giải pháp thay thế pin lithium-ion (LIB) trong các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Pin lithium-ion hiện được sử dụng phổ biến trên xe điện, thiết bị điện tử và các hệ thống lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, công nghệ này có một số hạn chế như chi phí cao, nguy cơ cháy và tạo ra lượng chất thải lớn.

Australia hiện tạo ra khoảng 3.300 tấn chất thải pin lithium mỗi năm. Con số này được dự báo vượt 136.000 tấn vào năm 2036.

Pin kẽm - iốt được xem là một lựa chọn thay thế an toàn và bền vững, nhờ sử dụng chất điện phân gốc nước, không bắt lửa và nguyên liệu tương đối dồi dào. Tuy nhiên, loại pin này lâu nay gặp vấn đề gọi là “hiệu ứng con thoi” (shuttle effect).

Trong quá trình sạc - xả, các hợp chất polyiodide có thể di chuyển qua màng ngăn giữa hai điện cực, gây phản ứng không mong muốn và khiến hiệu suất pin suy giảm theo thời gian.

Để giải quyết vấn đề, nhóm Đại học Flinders phát triển vật liệu từ polymer cyclodextrin có nguồn gốc từ tinh bột, giá rẻ và có khả năng phân hủy sinh học.

Cyclodextrin vốn được sử dụng phổ biến trong thực phẩm và mỹ phẩm. Các nhà khoa học thiết kế vật liệu này thành những cấu trúc giống “lồng” ở cấp độ phân tử, với bên ngoài ưa nước và bên trong kỵ nước. Cấu trúc này có thể giữ rồi giải phóng các hợp chất polyhalide khi cần, hạn chế chúng di chuyển qua màng ngăn.

“Hệ thống đưa ra cách tiếp cận mới để hạn chế sự di chuyển của polyiodide bằng polymer có nguồn gốc từ oligosaccharide rẻ tiền, có khả năng phân hủy sinh học, qua đó tạo ra pin kẽm - iốt bền vững và tuổi thọ cao” , Phó giáo sư Zhongfan Jia, chuyên gia hóa học tại Trường Khoa học và Kỹ thuật, Đại học Flinders, giải thích.

Kết quả thử nghiệm cho thấy pin hoạt động ở điện áp 1,3 - 1,4 V. Khi đạt dung lượng 200 mAh/g và được sạc đầy trong 7 phút, pin duy trì hơn 8.000 chu kỳ sạc - xả.

Khi dung lượng giảm xuống 150 mAh/g, thời gian sạc rút xuống chỉ còn ba phút và pin có thể hoạt động hơn 60.000 chu kỳ.

Mức suy giảm hiệu suất mỗi chu kỳ chỉ khoảng 0,0001 - 0,0003%, yếu tố giúp pin đạt tuổi thọ hàng chục nghìn chu kỳ.

Ngoài độ bền và khả năng sạc nhanh, pin kẽm còn có lợi thế về độ an toàn và nguồn nguyên liệu. Chất điện phân gốc nước giúp giảm nguy cơ cháy so với pin lithium-ion, trong khi kẽm có trữ lượng lớn và chi phí thấp.

Yếu tố này đặc biệt quan trọng với các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn, nơi hàng nghìn hoặc hàng chục nghìn pin có thể được sử dụng để tích trữ điện từ năng lượng mặt trời, điện gió và cung cấp trở lại lưới điện khi cần.

Nhóm Đại học Flinders hiện hợp tác với các đối tác công nghiệp để xây dựng nền tảng chế tạo nguyên mẫu, bước tiếp theo nhằm đánh giá khả năng đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm lên quy mô thương mại.

Điều này mở ra khả năng thế hệ lưu trữ năng lượng xanh tiếp theo có thể dựa vào kẽm và các hợp chất có nguồn gốc từ tinh bột, thay vì phụ thuộc vào những vật liệu khan hiếm và có nguy cơ cháy cao như hiện nay.