- Các thành phần được sử dụng để chế tạo pin nhôm-lưu huỳnh đều có sẵn và giá cả hợp lý.
- Nhôm và lưu huỳnh đóng vai trò là hai thành phần điện cực của pin, với một lớp muối nóng chảy đóng vai trò là chất điện phân.
- Một số phát minh khác, như pin kim loại lỏng mà Sadoway và các sinh viên của ông đã tạo ra cách đây vài năm, là nền tảng cho một doanh nghiệp phụ có tên Ambri, nhằm mục đích tung ra những sản phẩm đầu tiên trong năm tới.
Pin nhôm-lưu huỳnh có thể hoạt động với tốc độ sạc cực cao
Nhu cầu về các hệ thống dự phòng quy mô lớn, giá cả phải chăng để cung cấp điện khi mặt trời lặn và thời tiết lặng gió đang tăng lên nhanh chóng khi thế giới phát triển các hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời ngày càng lớn hơn. Phần lớn các ứng dụng này vẫn không đủ khả năng chi trả cho pin lithium-ion ngày nay và các giải pháp thay thế như bơm thủy điện đòi hỏi địa hình cụ thể không phải lúc nào cũng có sẵn.
Các nhà nghiên cứu từ MIT và các tổ chức khác đã tạo ra một loại pin hoàn toàn mới có thể giúp thu hẹp khoảng cách đó. Nó được xây dựng hoàn toàn từ các thành phần sẵn có và giá cả phải chăng.
Donald Sadoway, giáo sư MIT và 15 nhà nghiên cứu khác từ MIT, cũng như những nhà nghiên cứu ở Trung Quốc, Canada, Kentucky và Tennessee, mô tả cấu trúc pin mới trong một bài báo được xuất bản hôm nay trên tạp chí Thiên nhiên. Pin sử dụng nhôm và lưu huỳnh làm hai vật liệu điện cực, với chất điện phân muối nóng chảy ở giữa.
“Tôi muốn phát minh ra thứ gì đó tốt hơn, tốt hơn nhiều so với pin lithium-ion để lưu trữ văn phòng phẩm quy mô nhỏ và cuối cùng là cho ô tô. [uses],” Sadoway, Giáo sư danh dự về Hóa học Vật liệu của John F. Elliott, cho biết.
Pin lithium-ion không phải là loại pin tốt nhất để vận chuyển vì chúng đắt tiền và chất điện phân dễ cháy. Sau đó, Sadoway bắt đầu xem qua bảng tuần hoàn các kim loại sẵn có, giá rẻ và có thể thay thế lithium. Theo ông, sắt, hiện được sử dụng chủ yếu trong thương mại, thiếu các đặc tính điện hóa thích hợp để tạo ra một loại pin hiệu quả. Mặt khác, nhôm là kim loại dồi dào thứ hai trên thị trường và là kim loại phổ biến nhất về tổng thể.
“Vì vậy, tôi đã nói, à, hãy biến nó thành một điểm tựa. Nó sẽ là nhôm,” ông nói thêm.
Bước tiếp theo là chọn điện cực còn lại đi cùng với nhôm và chất điện phân sẽ đi giữa chúng để vận chuyển các ion qua lại trong quá trình sạc và xả. Lưu huỳnh được chọn làm thành phần điện cực thứ hai vì nó là phi kim loại rẻ nhất. Theo Sadoway, các hóa chất hữu cơ dễ bay hơi, dễ cháy đôi khi gây ra hỏa hoạn nguy hiểm trên ô tô và các ứng dụng khác của pin lithium-ion sẽ không được sử dụng làm chất điện phân.
Cuối cùng, họ đã xem xét nhiều loại muối nóng chảy có điểm nóng chảy tương đối thấp – gần với điểm sôi của nước thay vì gần như vậy. 1,000 độ F đối với nhiều muối. Ban đầu họ đã kiểm tra nhiều loại polyme khác nhau trước khi tạo ra pin nhôm-lưu huỳnh. Ông cho biết, việc chế tạo pin không cần thêm phương pháp cách nhiệt và chống ăn mòn sẽ trở nên khả thi khi nhiệt độ gần bằng nhiệt độ cơ thể.
Nhôm, giống hệt giấy bạc mua ở cửa hàng tạp hóa, lưu huỳnh, thường là chất thải từ các hoạt động như lọc dầu, và muối thường có sẵn là ba vật liệu cuối cùng mà chúng sử dụng. Sadoway giải thích: “Nguyên liệu rẻ và an toàn – không thể cháy”.
Trong các thử nghiệm của mình, các nhà khoa học đã chứng minh rằng pin nhôm-lưu huỳnh có thể hoạt động với tốc độ sạc cực cao trong hàng trăm chu kỳ với chi phí dự đoán cho mỗi tế bào gần bằng 1/6 so với các tế bào lithium-ion tương đương. Nhiệt độ hoạt động có tác động đáng kể đến tốc độ sạc, với 110 độ C (230 độ F) thể hiện tốc độ nhanh hơn 25 lần so với 25 C. (77 F).
Kế hoạch năng lượng tái tạo của Rhode Island làm gương cho những người khác
Thật bất ngờ, quyết định của nhóm nghiên cứu sử dụng muối nóng chảy làm chất điện phân chỉ vì điểm nóng chảy thấp của nó lại mang lại một lợi ích không ngờ tới. Sự phát triển của đuôi gai – các gai kim loại hẹp phát triển trên một điện cực và cuối cùng lan sang tiếp xúc với điện cực kia, làm đoản mạch pin và làm giảm hiệu suất – là một trong những vấn đề chính đối với độ tin cậy của pin. Tuy nhiên, điều đó xảy ra là loại muối đặc biệt này có tác dụng tuyệt vời trong việc tránh được vấn đề như vậy.
Theo Sadoway, loại muối mà họ sử dụng, chloro-aluminate, “về cơ bản đã loại bỏ những sợi nhánh chạy trốn này, đồng thời cho phép sạc rất nhanh”. “Chúng tôi đã thực hiện các thử nghiệm ở tốc độ sạc rất cao, sạc trong vòng chưa đầy một phút và chúng tôi chưa bao giờ bị mất tế bào do chập mạch dendrite.”
Cuối cùng, chloro-aluminate caten hóa mà họ nghĩ ra hóa ra lại không gặp phải vấn đề đoản mạch, mặc dù toàn bộ trọng tâm là tìm ra loại muối có điểm nóng chảy thấp nhất.
“Nếu chúng tôi bắt đầu bằng việc cố gắng ngăn chặn tình trạng rút ngắn đuôi gai, tôi không chắc mình sẽ biết cách theo đuổi điều đó. Tôi đoán đó là sự tình cờ đối với chúng tôi,” Sadoway nói.
Học sâu tương tự mở đường cho tính toán nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn
Ngoài ra, pin nhôm-lưu huỳnh có thể duy trì nhiệt độ hoạt động mà không cần sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài. Việc sạc và xả pin tự nhiên tạo ra nhiệt thông qua quá trình điện hóa.
“Khi sạc, bạn tạo ra nhiệt và điều đó giữ cho muối không bị đóng băng. Và sau đó, khi bạn phóng điện, nó cũng sinh ra nhiệt. Bạn dự trữ điện khi mặt trời chiếu sáng, và sau đó bạn sẽ lấy điện vào lúc trời tối, và bạn làm việc này hàng ngày. Và lượng điện-không tải-xả-không tải đó đủ để tạo ra đủ nhiệt để giữ cho vật thể ở nhiệt độ,” Sadoway giải thích.
Theo ông, thành phần pin nhôm-lưu huỳnh mới này sẽ rất phù hợp cho việc lắp đặt tạo ra dung lượng lưu trữ ở mức vài chục kilowatt giờ và có kích thước gần bằng kích thước cần thiết để cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà hoặc doanh nghiệp vừa và nhỏ.
Các công nghệ khác, chẳng hạn như pin kim loại lỏng mà Sadoway và các sinh viên của ông đã phát triển cách đây vài năm và đóng vai trò là nền tảng cho một công ty phụ có tên Ambri, hy vọng sẽ cung cấp những sản phẩm đầu tiên trong năm tới, có thể hiệu quả hơn cho các cơ sở lắp đặt lớn hơn, lên đến quy mô tiện ích từ hàng chục đến hàng trăm megawatt giờ. Sadoway gần đây đã nhận được Giải thưởng Nhà phát minh Châu Âu 2018 cho sự sáng tạo đó.
Theo Sadoway, kích thước nhỏ hơn của pin nhôm-lưu huỳnh cũng sẽ khiến chúng trở nên hữu ích cho các ứng dụng như trạm sạc xe điện. Ông nhận xét rằng khi xe điện được sử dụng rộng rãi trên đường, nhiều ô tô sẽ muốn sạc cùng lúc, giống như máy bơm xăng hiện nay.
“Nếu bạn cố gắng làm điều đó với pin và muốn sạc nhanh, thì cường độ dòng điện sẽ cao đến mức chúng tôi không có lượng cường độ đó trong đường dây cung cấp cho cơ sở.”
Vì vậy, có thể không cần thiết phải tạo ra các đường dây điện mới đắt tiền để cung cấp cho các bộ sạc này nếu hệ thống pin như thế này có thể lưu trữ năng lượng và nhanh chóng giải phóng năng lượng khi cần.
Công nghệ mới này đã là nền tảng cho một doanh nghiệp phụ mới có tên Avanti, được thành lập bởi Sadoway và người đồng sáng lập Ambri, Luis Ortiz (’96 ScD ’00), và đã cho thuê quyền đối với hệ thống. Sadoway cho biết: “Yêu cầu kinh doanh đầu tiên của công ty là chứng minh rằng nó hoạt động trên quy mô lớn và sau đó, công ty sẽ trải qua một số bài kiểm tra căng thẳng, chẳng hạn như trải qua hàng trăm chu kỳ sạc.
Tại sao chúng ta cần AI để thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng xanh
Liệu pin làm từ lưu huỳnh có dễ phát ra mùi khó chịu liên quan đến nhiều loại lưu huỳnh khác nhau không? Theo Sadoway, câu trả lời là hoàn toàn không.
“Có mùi trứng thối trong khí hydro sunfua. Đây là nguyên tố lưu huỳnh, và nó sẽ được bao bọc bên trong tế bào. Độ ẩm trong không khí sẽ phản ứng và bạn cũng bắt đầu tạo ra đủ loại khí hôi. Đây là những câu hỏi chính đáng, nhưng pin đã được niêm phong, không phải là bình mở. Vì vậy tôi sẽ không lo lắng về điều đó,” anh giải thích.
