ÚC – Các nhà khoa học tại Đại học New South Wales (UNSW – University of New South Wales) đang phát triển một loại pin hữu cơ thân thiện với môi trường, hiệu suất cao.
Một nhóm các nhà khoa học tại đại học UNSW khoa hóa học, đã phát triển thành công một vật liệu hữu cơ có khả năng lưu trữ proton, và họ đã sử dụng nó để tạo ra pin proton có thể sạc lại trong phòng thí nghiệm.
Bằng cách tận dụng các ion hydro – proton – thay vì lithium truyền thống, những loại pin này hứa hẹn sẽ giải quyết một số vấn đề quan trọng trong lưu trữ năng lượng hiện đại, bao gồm tình trạng khan hiếm tài nguyên, tác động đến môi trường, tính an toàn và chi phí.
Những phát hiện mới nhất, vừa được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie, nêu bật khả năng lưu trữ năng lượng nhanh chóng, kéo dài tuổi thọ và hoạt động tốt của pin trong điều kiện nhiệt độ dưới 0 độ.
Vật liệu tetraamino-benzoquinone (TABQ) do ứng viên Tiến sĩ Sicheng Wu và Giáo sư Chuan Zhao phát triển, hợp tác với đại học UNSW khoa kỹ thuật và Công ty ANSTO, đã được chứng minh là có khả năng hỗ trợ chuyển động proton nhanh bằng cách sử dụng mạng lưới liên kết hydro.
Giáo sư Chuan Zhao đã nói rằng: “Chúng tôi đã phát triển một vật liệu phân tử nhỏ mới, có dung lượng cao để lưu trữ proton. Sử dụng vật liệu này, chúng tôi đã chế tạo thành công một loại pin proton gốc hữu cơ có hiệu quả ở cả nhiệt độ phòng và nhiệt độ đóng băng dưới 0 độ”.
Giáo sư Chuan Zhao đang cầm một nguyên mẫu pin proton trong phòng thí nghiệm
Kiến thức cơ bản về pin Pin lưu trữ năng lượng hóa học và chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua phản ứng giữa hai điện cực – cực dương và cực âm. Các hạt mang điện tích, được gọi là ion, được truyền qua thành phần giữa của pin, được gọi là chất điện phân.
Loại pin phổ biến nhất được sử dụng trong các sản phẩm gia dụng là pin lithium-ion. Những loại pin này tạo ra điện tích bằng cách truyền ion lithium giữa cực dương và cực âm, là giải pháp lưu trữ năng lượng di động phổ biến nhất.
Pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho các sản phẩm hàng ngày như điện thoại di động, máy tính xách tay và thiết bị đeo thông minh, cũng như các sản phẩm di động điện tử mới hơn như ô tô điện, xe đạp điện và xe máy điện. Tuy nhiên, chúng rất khó tái chế và cần một lượng lớn nước và năng lượng để sản xuất.
Ông Sicheng Wu đã nói rằng: “Pin lithium-ion đang trở thành sản phẩm chủ đạo trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng, nhưng chúng có rất nhiều hạn chế”.
Ông Sicheng nói tiếp: “Lithium là một nguồn tài nguyên hữu hạn không được phân bổ đều trên trái đất, vì vậy một số quốc gia không có nguồn lithium giá thấp. Pin lithium cũng có vấn đề rất lớn liên quan đến các ứng dụng sạc nhanh, an toàn và chúng có hiệu suất thấp ở nhiệt độ lạnh.”
Các giải pháp thay thế cho pin lithium-ion Mặc dù hiện nay chúng ta phụ thuộc rất nhiều vào pin lithium-ion, nhưng ngày càng có nhiều loại pin thay thế khác xuất hiện.
Pin proton đang thu hút sự chú ý như một giải pháp thay thế sáng tạo và bền vững trong lĩnh vực năng lượng và được ca ngợi là một trong những giải pháp tiềm năng cho các thiết bị lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo.
Proton có bán kính và khối lượng ion nhỏ nhất trong tất cả các nguyên tố, cho phép chúng khuếch tán nhanh chóng. Sử dụng proton tạo ra pin có mật độ năng lượng và công suất cao, cộng với proton chi phí tương đối thấp, không thải khí carbon và sạc nhanh.
Ông Sicheng Wu chia sẻ: “Pin proton có nhiều lợi ích. Nhưng vật liệu điện cực hiện tại được sử dụng cho pin proton, một số được làm từ vật liệu hữu cơ và một số khác từ kim loại, rất nặng và vẫn có giá thành rất cao”.
Mặc dù một số vật liệu điện cực hữu cơ đã tồn tại, nhưng chúng có phạm vi điện áp hạn chế và cần nghiên cứu thêm để biến chúng thành loại pin khả thi.
Tạo vật liệu anot Điện thế oxy hóa khử là một thông số cơ bản trong điện hóa học. Nó liên quan đến dòng điện, điều này rất quan trọng khi thiết kế pin. Phạm vi điện thế oxy hóa khử trong pin rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Thông thường, điện thế oxy hóa khử của vật liệu catot (1) cần nằm trong phạm vi cao và điện thế oxy hóa khử của anot (2) cần nằm trong phạm vi thấp để đảm bảo điện áp đầu ra mong muốn của pin. (1) Catot (cathode): là điện cực mà tại đó xảy ra phản ứng khử. Nói cách khác, catot là điện cực nhận electron. Trong quá trình điện phân, catot là cực âm. (2) Anot (anode): là điện cực mà tại đó xảy ra phản ứng oxy hóa. Tại anot, các electron bị mất đi. Trong quá trình điện phân, anot là cực dương.
Để tạo ra vật liệu điện cực, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu với một phân tử nhỏ, được gọi là Tetrachloro-benzoquinone (TCBQ), bao gồm bốn nhóm clo. Mặc dù hợp chất TCBQ đã được sử dụng trước đây để thiết kế vật liệu điện cực, nhưng phạm vi thế oxy hóa khử của hợp chất này là trung bình – không đủ thấp để sử dụng làm vật liệu anot cũng không đủ cao để làm vật liệu catot.
Vì vậy, để bắt đầu, nhóm nghiên cứu đã tiến hành sửa đổi hợp chất TCBQ để tăng hiệu suất của nó như một vật liệu anot.
Sau nhiều vòng sửa đổi hợp chất, các nhà nghiên cứu đã quyết định thay thế bốn nhóm chloro bằng bốn nhóm amino, biến nó thành phân tử tetraamino-benzoquinone (TABQ). Bằng cách thêm các nhóm amino, các nhà nghiên cứu đã cải thiện đáng kể khả năng lưu trữ proton và giảm phạm vi thế oxy hóa khử của vật liệu.
Giáo sư Chuan Zhao đã nói rằng: “Nếu chỉ nhìn vào vật liệu TABQ mà chúng tôi đã thiết kế, thì hiện tại nó không nhất thiết phải giá thành thấp để sản xuất. Nhưng vì nó được tạo ra từ các nguyên tố nhẹ (3) dồi dào, nên cuối cùng sẽ dễ dàng và giá cả phải chăng để mở rộng quy mô sản xuất”. (3) Các nguyên tố nhẹ: chủ yếu là hydro, heli và một lượng nhỏ liti, đơteri và berili, được hình thành trong vũ trụ sơ khai.
Đưa nguyên mẫu vào thử nghiệm Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm pin proton, kết quả thu được cực kỳ khả quan.
Kết hợp với cực âm hợp chất TCBQ, pin gốc hữu cơ có tuổi thọ chu kỳ dài (3.500 chu kỳ sạc đầy, sau đó xả hoàn toàn), dung lượng cao và hiệu suất tốt trong điều kiện lạnh, khiến nó trở thành một bước tiến đầy hứa hẹn cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo.
Giáo sư Chuan Zhao đã chia sẻ: “Chất điện phân trong pin lithium-ion được làm từ muối lithium, một dung môi dễ cháy và đó là mối quan tâm lớn. Chúng tôi có cả hai điện cực được làm từ các phân tử hữu cơ và chất điện phân là dung dịch nước, làm cho pin nguyên mẫu của chúng tôi nhẹ, an toàn và giá cả phải chăng”.
Những tác động trong tương lai Ông Sicheng Wu đã nói rằng: “Hiện tại, chúng tôi không có giải pháp phù hợp nào cho việc lưu trữ năng lượng trên lưới điện, vì chúng tôi không thể sử dụng hàng tấn pin lithium để thực hiện công việc đó do giá thành cao và thiếu sự an toàn”.
Với chi phí thấp, độ an toàn cao và hiệu suất sạc nhanh của pin proton được thiết kế thông qua sự hợp tác này, nó có tiềm năng được sử dụng trong nhiều tình huống, bao gồm cả lưu trữ năng lượng trên lưới điện.
Ông Sicheng Wu nói tiếp: “Để tăng cường việc sử dụng năng lượng tái tạo, chúng tôi cần phải phát triển một số công nghệ tích hợp năng lượng hiệu quả hơn và thiết kế pin proton của chúng tôi là một thử nghiệm đầy hứa hẹn”.
Mặc dù tiềm năng ứng dụng rất lớn, các nhà nghiên cứu vẫn quyết tâm cải tiến và hoàn thiện pin proton của mình.
Ông Sicheng Wu đã chia sẻ: “Chúng tôi đã thiết kế một vật liệu anot rất tốt và công việc trong tương lai sẽ chuyển sang phía catot. Chúng tôi sẽ tiếp tục thiết kế các vật liệu hữu cơ mới có phạm vi oxy hóa khử cao hơn để tăng điện áp đầu ra của pin”.
Giáo sư Chuan Zhao cũng lưu ý rằng điều khiến ông quan tâm nhất là cơ chế vận chuyển proton độc đáo mà họ đã xác định được. Giáo sư đã nói rằng: “Vận chuyển proton là một trong những quá trình cơ bản nhất trong tự nhiên, từ cơ thể con người đến thực vật. Chúng ta có thể nghiên cứu cách phân tử hữu cơ này được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như lưu trữ hydro”.
Giáo sư Chuan nói thêm rằng: “Hydro phân tử (H2) rất dễ phản ứng và do đó khó lưu trữ và vận chuyển. Đây hiện là vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp hydro. Tuy nhiên, hydro cũng tồn tại ở dạng ổn định: proton (H+).”
Việc phát triển vật liệu lưu trữ proton có nghĩa là hydro có thể dễ dàng được vận chuyển trên khắp thế giới và sau đó được chiết xuất khi nào và ở đâu khi cần thiết. Giáo sư Chuan nói tiếp: “Khám phá của chúng tôi đã biến ý tưởng này thành hiện thực”.
Để xem các tin bài khác về “Pin proton”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
