CHLB ĐỨC – Trong tình hình nhu cầu về lưu trữ năng lượng ngày càng tăng, cần có các công nghệ pin hiệu quả về chi phí, an toàn và tiết kiệm tài nguyên. Các nhà nghiên cứu tại viện Fraunhofer và các đối tác dự án đang sử dụng lignin, một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp gỗ và bột giấy, làm thành phần của hệt hống pin natri-ion.
Lignin, một loại polyme sinh học, là thành phần chính của gỗ và tạo nên tính ổn định của gỗ. Là một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp giấy, trước đây lignin thường bị đốt để tạo ra năng lượng. Các nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ và hệ thống gốm Fraunhofer (IKTS – Fraunhofer institute for ceramic technologies and systems) và Đại học Friedrich Schiller Jena (Friedrich Schiller university Jena), cả hai đều là đối tác của Trung tâm hóa học năng lượng và môi trường (CEEC – Center for energy and environmental chemistry), giờ đây đã có một ý tưởng tốt hơn: trong dự án “ThüNaBsE” (pin natri-ion Thuringia lưu trữ năng lượng có thể mở rộng), được tài trợ bởi bang Thuringia (miền trung nước Đức) và Quỹ xã hội châu Âu (European social fund), các đối tác đang phát triển và đánh giá một loại pin natri-ion mới sử dụng lignin, từ vật liệu thô đến pin hoàn chỉnh 1 Ah.
Dự án này nhằm mục đích đóng góp quan trọng vào việc tăng cường sự độc lập khỏi các nguyên liệu thô quan trọng và chuyển đổi sang các loại pin có chi phí thấp hơn, bền vững hơn và an toàn hơn. Dự án được hỗ trợ bởi một ban cố vấn công nghiệp chủ yếu bao gồm các công ty trong bang Thuringian, như Mercer Rosenthal, Glatt Ingenieurtechnik, IBU-tec advanced materials, và EAS Batteries, cũng như Petrochemical Holding từ thành phố Vienna (Áo). Một mục tiêu khác của dự án là hỗ trợ các nhà nghiên cứu trẻ ở bang Thuringia. Vì lý do này, một số nhà khoa học trẻ đang theo học tiến sĩ trong lĩnh vực nghiên cứu năng lượng và pin cũng tham gia vào dự án “ThüNaBsE”.
Pin do viện Fraunhofer IKTS chế tạo được làm từ lignin
Lignin chủ yếu bao gồm các khối cấu trúc hydrocarbon được sử dụng trong hóa học, ví dụ như vật liệu điện cực cho pin. Dự án hướng đến việc sử dụng nguyên liệu thô có nguồn gốc sinh học cho điện cực âm. Tiến sĩ Lukas Medenbach, một nhà khoa học tại viện Fraunhofer IKTS ở thành phố Arnstadt (miền đông nước Đức), chia sẻ: “Chúng tôi muốn loại bỏ các kim loại quan trọng như lithium, coban và niken khỏi chuỗi giá trị của pin. Chúng tôi cũng muốn giữ hàm lượng flo trong điện cực và chất điện phân ở mức thấp nhất có thể và thử nghiệm xem có thể tránh sử dụng được hoàn toàn ở mức độ nào. Tuy nhiên, cốt lõi của dự án là chế biến lignin chất lượng cao, có sẵn tại địa phương thành các điện cực hiệu suất cao trong pin ion natri của chúng tôi”.
Lignin được cung cấp bởi Công ty Mercer Rosenthal và được chuyển đổi nhiệt thành carbon trong môi trường chân không, sau đó được xử lý tiếp thành điện cực. Đồng nghiệp của Tiến sĩ Medenbach, Tiến sĩ Cornelius Dirksen, chia sẻ: “Các đối tác dự án của chúng tôi từ Viện hóa học kỹ thuật và hóa học môi trường thuộc đại học Friedrich Schiller Jena, do Giáo sư Martin Oschatz dẫn đầu, sử dụng các quy trình nhiệt để chuyển đổi lignin thành vật liệu được gọi là carbon cứng. Cấu trúc của carbon cứng này rất phù hợp để lưu trữ các ion natri theo cách thuận nghịch (1). Carbon cứng mang lại hiệu suất điện hóa cao, độ ổn định chu kỳ tốt và chi phí thu mua thấp, đặc biệt là khi được lấy từ các nguyên liệu thô bền vững”. Các chất tương tự sắc tố Berlin blue (2), tức là các hợp chất sắt không độc hại, được sử dụng làm điện cực dương. Chất này, vốn đã được sử dụng làm màu vẽ khoảng 200 năm trước, được đặc trưng bởi tính sẵn có của nguyên liệu thô, khả năng tương thích với môi trường và đặc tính lưu trữ ion natri.
(1) Thuận nghịch: các ion natri phải có khả năng di chuyển ra khỏi cấu trúc carbon cứng một cách dễ dàng và hiệu quả khi pin đang xả (tạo ra điện). Khả năng thuận nghịch tốt là yếu tố then chốt để đảm bảo pin có thể được sạc đi sạc lại nhiều lần với tuổi thọ dài. (2) Berlin blue: hay prussian blue, là các hợp chất sắt có cấu trúc tinh thể đặc biệt, an toàn, thân thiện với môi trường, và hoạt động hiệu quả trong việc lưu trữ ion natri, là lựa chọn lý tưởng để làm điện cực dương của pin natri-ion bền vững.
Các cell pin thử nghiệm quy mô nhỏ ban đầu được thiết kế và thử nghiệm tại trung tâm thử nghiệm pin Fraunhofer IKTS ở thành phố Arnstadt, tại viện Fraunhofer IKTS ở vùng Hermsdorf, và tại đại học Friedrich Schiller ở thành phố Jena (phía đông nước Đức). Công việc trong phòng thí nghiệm được thực hiện kèm theo các mô phỏng đa vật lý thực tế. Kết quả rất hứa hẹn, Tiến sĩ Medenbach đã nói rằng: “Cell pin phòng thí nghiệm vẫn chưa bị suy giảm đáng kể sau 100 chu kỳ sạc và xả. Mục tiêu là trình diễn 200 chu kỳ sạc và xả cho cell pin đầy 1 Ah vào cuối dự án”.
Sau khi được phát triển hoàn chỉnh, loại pin này có thể được sử dụng làm bộ lưu trữ cố định hoặc di động, ở những nơi không yêu cầu thời gian sạc nhanh. Pin natri-ion gốc lignin phù hợp cho các ứng dụng di động có yêu cầu công suất điện năng thấp hơn. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm ô tô siêu nhỏ hoặc xe nâng công nghiệp. Sau khi dự án hoàn thành, công nghệ này sẽ được mở rộng quy mô hơn nữa, và với sự tham gia của một nhóm đối tác thậm chí còn lớn hơn, họ sẽ theo đuổi con đường để đạt được các cấp độ sẵn sàng công nghệ tiếp theo.
Để xem các tin bài khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Hannover Messe
