Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Nghiên cứu Kim loại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cho biết họ đã phát triển thành công chất điện phân mới giúp pin dòng chảy sử dụng hoàn toàn sắt có thể vận hành ổn định qua hàng nghìn chu kỳ sạc xả mà không suy giảm hiệu suất.
Đột phá này được cho là đã giải quyết 2 vấn đề lớn nhất từng cản trở pin sắt thương mại hóa: vật liệu xuống cấp theo thời gian và hiện tượng rò rỉ vật liệu hoạt tính qua màng ngăn - yếu tố khiến pin nhanh hỏng và tuổi thọ ngắn.
Theo các nhà nghiên cứu, nguyên nhân thúc đẩy cuộc đua pin sắt nằm ở chi phí nguyên liệu. Hiện giá lithium trên thị trường đang cao gấp hơn 80 lần giá sắt, tạo ra áp lực lớn với ngành năng lượng sạch toàn cầu khi nhu cầu pin ngày càng tăng mạnh.
Trong khi đó, sắt là nguyên liệu phổ biến, rẻ hơn nhiều và có nguồn cung dồi dào hơn đáng kể so với lithium. Điều này khiến pin sắt trở thành lựa chọn hấp dẫn để lưu trữ điện quy mô lớn cho lưới điện quốc gia, đặc biệt trong bối cảnh điện gió và điện mặt trời có điểm yếu là thường bị gián đoạn. Khi không có nắng hoặc gió yếu, các hệ thống lưu trữ quy mô lớn đóng vai trò cực kỳ quan trọng để đảm bảo nguồn điện ổn định.
Pin dòng chảy toàn sắt được đánh giá có nhiều lợi thế vì sử dụng chất điện phân gốc nước, an toàn hơn so với pin lithium dễ cháy nổ.
Song, điểm yếu lớn nhất của công nghệ này nằm ở cực âm, nơi vật liệu hoạt tính dễ bị phân hủy hoặc rò rỉ qua màng ngăn.
Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã thiết kế lại cấu trúc phân tử của phức hợp sắt. SCMP cho biết, phân tử mới hoạt động như lớp bảo vệ kép.
Một mặt, cấu trúc cồng kềnh và cứng giúp bảo vệ lõi sắt khỏi các phản ứng hóa học gây hư hại. Mặt khác, điện tích âm mạnh tạo ra hiệu ứng đẩy, ngăn vật liệu hoạt tính rò rỉ qua màng ngăn. Nhờ cơ chế này, pin duy trì được độ ổn định trong thời gian dài.
Nguyên mẫu thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định trong hơn 6.000 chu kỳ sạc xả, tương đương hơn 16 năm vận hành hàng ngày mà không mất dung lượng lưu trữ.
Trong suốt quá trình thử nghiệm, hệ thống không tạo ra cặn lắng hay sản phẩm phụ gây hại. Hiệu suất ngăn rò rỉ đạt tới 99,4%, trong khi ở công suất cao, pin vẫn giữ được khoảng 78,5% hiệu suất năng lượng.
Theo giới chuyên gia, đây có thể là bước tiến quan trọng trong cuộc đua thay thế pin lithium cho các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn.
Tại Mỹ, công ty ESS Tech Inc. đã triển khai pin sắt cho các khách hàng lớn như Google. Tuy nhiên, nhiều hệ thống hiện tại vẫn gặp vấn đề về hiện tượng dendrite, các tinh thể nhỏ dạng kim có thể gây đoản mạch. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho rằng họ đã vượt qua rào cản này bằng hóa học kiềm và thiết kế “lá chắn phân tử” mới.
Nếu được thương mại hóa thành công, pin sắt giá rẻ với tuổi thọ hàng thập kỷ có thể giúp giảm mạnh chi phí lưu trữ điện tái tạo và thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng xanh trên toàn cầu.
