Theo một nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Energy Storage Materials, một thiết kế pin mới có thể giúp dễ dàng tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện quốc gia với chi phí thấp hơn, sử dụng các kim loại dồi dào trên Trái đất. Một nhóm nghiên cứu do Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng dẫn đầu đã chứng minh rằng thiết kế mới cho pin lưu trữ năng lượng dạng lưới được chế tạo bằng kim loại natri và nhôm giá rẻ cung cấp một lộ trình hướng tới một hệ thống lưu trữ năng lượng cố định an toàn hơn và có khả năng mở rộng hơn.

Guosheng Li, một nhà khoa học vật liệu cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng thiết kế pin muối nóng chảy mới này có khả năng sạc và xả nhanh hơn nhiều so với các loại pin natri nhiệt độ cao thông thường khác, hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và duy trì khả năng lưu trữ năng lượng tuyệt vời”. tại PNNL và điều tra viên chính của nghiên cứu. “Chúng tôi đang đạt được hiệu suất tương tự với hóa chất dựa trên natri mới này ở nhiệt độ thấp hơn 100 °C [212 °F] so với các công nghệ pin natri nhiệt độ cao hiện có trên thị trường, trong khi sử dụng vật liệu phong phú hơn trên Trái đất.”

1. Tăng khả năng lưu trữ năng lượng

Imre Gyuk, Giám đốc Văn phòng Điện lực, Chương trình Lưu trữ Năng lượng của DOE, đơn vị hỗ trợ nghiên cứu này, lưu ý: “Công nghệ pin này, được chế tạo bằng các vật liệu sẵn có trong nước với chi phí thấp, giúp chúng ta tiến một bước gần hơn tới việc đạt được các mục tiêu năng lượng sạch của quốc gia.”

Pin muối nóng chảy dựa trên natri mới sử dụng hai phản ứng riêng biệt. Nhóm nghiên cứu trước đây đã báo cáo về phản ứng muối nóng chảy trung tính. Phát hiện mới cho thấy muối nóng chảy trung tính này có thể trải qua phản ứng tiếp theo thành muối nóng chảy có tính axit. Điều quan trọng là cơ chế phản ứng axit thứ hai này làm tăng dung lượng của pin. Cụ thể, sau 345 chu kỳ sạc/xả ở dòng điện cao, cơ chế phản ứng axit này đã giữ lại 82,8% công suất sạc cực đại.

Năng lượng mà pin có thể cung cấp trong quá trình phóng điện được gọi là mật độ năng lượng cụ thể của nó, được biểu thị bằng “oát giờ trên kilôgam” (Wh/kg). Mặc dù pin đang trong giai đoạn thử nghiệm hoặc “pin đồng xu”, nhưng các nhà nghiên cứu suy đoán rằng nó có thể tạo ra mật độ năng lượng thực tế lên tới 100 Wh/kg. Để so sánh, mật độ năng lượng của pin lithium-ion được sử dụng trong thiết bị điện tử thương mại và xe điện là khoảng 170-250 Wh/kg. Tuy nhiên, thiết kế pin natri-nhôm mới có ưu điểm là rẻ và dễ sản xuất tại Hoa Kỳ từ các vật liệu phong phú hơn nhiều.

“Với sự tối ưu hóa, chúng tôi hy vọng mật độ năng lượng cụ thể và vòng đời có thể đạt cao hơn và lâu hơn nữa”, Li nói thêm.

2. Pin natri cho thấy khả năng của nó

Thật vậy, các nhà khoa học PNNL đã hợp tác với các đồng nghiệp tại công ty tiên phong về năng lượng tái tạo Nexceris có trụ sở tại Hoa Kỳ để lắp ráp và thử nghiệm pin. Nexceris, thông qua doanh nghiệp mới Adena Power, đã cung cấp chất điện phân dựa trên natri, trạng thái rắn đã được cấp bằng sáng chế của họ cho PNNL để kiểm tra hiệu suất của pin. Thành phần pin quan trọng này cho phép các ion natri di chuyển từ cực âm (cực dương) sang cực dương (cực âm) của pin khi sạc.

Vince Sprenkle, chuyên gia công nghệ pin PNNL với hơn 30 thiết kế được cấp bằng sáng chế cho biết: “Mục tiêu chính của chúng tôi đối với công nghệ này là cho phép chuyển năng lượng mặt trời hàng ngày, chi phí thấp vào lưới điện trong khoảng thời gian từ 10 đến 24 giờ”. hệ thống lưu trữ năng lượng và công nghệ liên quan. “Đây là một điểm tuyệt vời mà chúng ta có thể bắt đầu nghĩ đến việc tích hợp các mức năng lượng tái tạo cao hơn vào lưới điện để cung cấp khả năng phục hồi lưới thực sự từ các nguồn tái tạo như năng lượng gió và mặt trời.”

Sprenkle là thành viên của nhóm đã phát triển thiết kế linh hoạt mới của loại pin này, thiết kế này cũng chuyển pin từ dạng ống truyền thống sang dạng phẳng, có thể mở rộng để có thể dễ dàng xếp chồng lên nhau và mở rộng hơn khi công nghệ phát triển từ pin cỡ đồng xu sang lớn hơn. kích thước trình diễn grid-scale. Quan trọng hơn, thiết kế tế bào phẳng này cho phép tăng dung lượng tế bào bằng cách đơn giản sử dụng một cực âm dày hơn, mà các nhà nghiên cứu đã tận dụng trong nghiên cứu này để chứng minh một tế bào dung lượng gấp ba lần với thời gian xả liên tục trong 28,2 giờ trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Hầu hết các công nghệ pin hiện tại, bao gồm cả pin lithium-ion, đều rất phù hợp để lưu trữ năng lượng trong thời gian ngắn. Để đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng hơn 10 giờ sẽ cần phải phát triển các khái niệm pin mới, chi phí thấp, an toàn và thời lượng dài vượt xa các công nghệ pin hiện đại. Nghiên cứu này cung cấp một minh chứng đầy hứa hẹn ở quy mô phòng thí nghiệm hướng tới mục tiêu đó.