Pin kẽm–iốt sạc trong 3 phút, vượt 60.000 chu kỳ: Công nghệ mới thách thức lithium-ion

Một nhóm nghiên cứu tại Australia vừa công bố bước tiến đáng chú ý đối với pin kẽm–iốt dạng nước. Công nghệ thử nghiệm có thể sạc trong khoảng 3 phút và hoạt động hơn 60.000 chu kỳ, đồng thời sử dụng chất điện phân nền nước giúp giảm đáng kể nguy cơ cháy. Nếu tiếp tục được phát triển thành công, đây có thể trở thành một lựa chọn đáng chú ý cho thị trường lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Bước tiến mới trong công nghệ pin kẽm–iốt

Nghiên cứu do các nhà khoa học tại Flinders University (Australia) thực hiện, tập trung vào pin kẽm–iốt dạng nước, hay Aqueous Zinc-Iodine Battery (AZIB).

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition cho thấy nhóm nghiên cứu đã phát triển một cấu trúc vật liệu mới nhằm giải quyết một trong những điểm yếu lớn của pin kẽm–iốt: hiện tượng các hợp chất polyiodide di chuyển trong cell, làm suy giảm hiệu suất và tuổi thọ pin.

Điểm đáng chú ý nhất là cell thử nghiệm có thể đạt hơn 60.000 chu kỳ sạc–xả, trong khi thời gian sạc có thể rút xuống khoảng 3 phút ở một chế độ vận hành nhất định.

Đây là con số đặc biệt đáng chú ý trong bối cảnh ngành năng lượng đang tìm kiếm những công nghệ pin có tuổi thọ cao hơn, an toàn hơn và giảm sự phụ thuộc vào các vật liệu truyền thống của lithium-ion.

Sạc 3 phút nhưng phải đánh đổi về dung lượng

Một điểm cần làm rõ là con số 3 phút không có nghĩa mọi cấu hình của pin đều có thể sạc đầy trong 3 phút.

Theo Flinders University, khi vận hành ở mức dung lượng khoảng 150 mAh/g, cell có thể sạc trong khoảng 3 phút và đạt hơn 60.000 chu kỳ. Ở cấu hình khác, cell đạt khoảng 200 mAh/g, thời gian sạc khoảng 7 phút và duy trì được hơn 8.000 chu kỳ.

Điều này cho thấy công nghệ vẫn đang trong quá trình tối ưu giữa tốc độ sạc, dung lượng và tuổi thọ.

Đây cũng là yếu tố quan trọng cần được nhìn nhận khi đánh giá những tuyên bố về “pin sạc siêu nhanh”, bởi hiệu suất thực tế luôn phụ thuộc vào điều kiện vận hành, cấu hình cell và mức công suất sạc.

Bí quyết nằm ở “chiếc lồng phân tử” từ vật liệu nguồn gốc tinh bột

Một trong những trở ngại lớn của pin kẽm–iốt là polyiodide shuttle effect – hiện tượng các loài polyiodide di chuyển khỏi vị trí cần thiết trong quá trình hoạt động của pin.

Quá trình này có thể gây thất thoát vật liệu hoạt tính, làm tăng hiện tượng tự phóng điện và khiến hiệu suất pin suy giảm theo thời gian.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu sử dụng một loại polymer polycyclodextrin, có nguồn gốc từ các oligosaccharide tương đối rẻ và có khả năng phân hủy sinh học.

Vật liệu này hoạt động giống như một “chiếc lồng phân tử”, giúp giữ các ion polyhalide trong vùng điện cực cần thiết nhưng vẫn cho phép chúng tham gia vào phản ứng điện hóa.

Theo kết quả nghiên cứu, cấu trúc mới giúp pin duy trì hoạt động trong hơn 60.000 chu kỳ, với mức suy giảm dung lượng được báo cáo chỉ khoảng 0,0001–0,0003% mỗi chu kỳ, tùy cơ chế lưu trữ được sử dụng.

Vì sao pin kẽm–iốt được đánh giá cao về độ an toàn?

Khác với nhiều hệ pin lithium-ion sử dụng chất điện phân hữu cơ dễ cháy, AZIB sử dụng điện phân nền nước.

Đây là một lợi thế quan trọng đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, nơi vấn đề an toàn và kiểm soát nguy cơ cháy luôn được đặt lên hàng đầu.

Việc sử dụng hệ điện hóa nền nước không đồng nghĩa pin hoàn toàn không có rủi ro, nhưng có thể giảm đáng kể một số nguy cơ liên quan đến chất điện phân dễ cháy.

Đặc điểm này khiến pin kẽm–iốt đặc biệt phù hợp để nghiên cứu cho các hệ thống Battery Energy Storage System (BESS), thay vì chỉ tập trung vào những thiết bị điện tử nhỏ.

Kẽm và iốt mở ra hướng tiếp cận mới cho lưu trữ năng lượng

Một lợi thế khác của công nghệ là sử dụng kẽm, một vật liệu đã được khai thác và sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Điều này mở ra khả năng xây dựng chuỗi cung ứng khác với lithium-ion, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu lithium cho xe điện, thiết bị điện tử và hệ thống lưu trữ năng lượng tiếp tục tăng.

Flinders University cho biết nghiên cứu mới hướng tới việc phát triển pin kẽm–iốt thành một giải pháp thay thế lithium-ion cho lưu trữ năng lượng quy mô lớn và nhóm nghiên cứu đang hợp tác với các đối tác công nghiệp để xây dựng nền tảng nguyên mẫu.

Lưu trữ điện mặt trời có thể là thị trường tiềm năng

Nếu được thương mại hóa, pin kẽm–iốt có thể không cạnh tranh trực tiếp với lithium-ion trong mọi lĩnh vực.

Thay vào đó, lưu trữ năng lượng cố định có thể là thị trường phù hợp hơn.

Các hệ thống điện mặt trời và điện gió cần những bộ lưu trữ có khả năng sạc–xả thường xuyên trong nhiều năm. Trong trường hợp này, mật độ năng lượng không phải lúc nào cũng là yếu tố quyết định duy nhất.

Một hệ thống có tuổi thọ chu kỳ cực cao, độ an toàn tốt và chi phí vật liệu cạnh tranh có thể tạo ra lợi thế đáng kể.

Đây cũng là lý do pin kẽm–iốt đang được quan tâm trong bối cảnh thị trường BESS toàn cầu phát triển nhanh.

Chưa thể nói pin kẽm–iốt sẽ thay thế lithium-ion

Dù các thông số ban đầu rất ấn tượng, vẫn còn quá sớm để khẳng định pin kẽm–iốt có thể thay thế lithium-ion.

Lý do quan trọng nhất là kết quả hiện tại vẫn đến từ các cell nguyên mẫu quy mô phòng thí nghiệm. Việc chuyển từ một cell nhỏ sang module, pack và hệ thống BESS thương mại đặt ra nhiều bài toán khác về độ ổn định, sản xuất hàng loạt, quản lý hệ thống và chi phí.

Ngoài ra, công nghệ vẫn cần tiếp tục tối ưu về:

• Mật độ năng lượng.
• Công suất ở quy mô lớn.
• Độ ổn định của điện cực.
• Hiệu suất sạc–xả.
• Chi phí sản xuất cell và module.
• Khả năng mở rộng sản xuất công nghiệp.
• Độ bền trong điều kiện vận hành thực tế.

Nói cách khác, 60.000 chu kỳ trong phòng thí nghiệm là một kết quả nghiên cứu rất đáng chú ý, nhưng chưa đồng nghĩa với 60.000 chu kỳ trong một hệ thống thương mại ngoài thực tế.

Cuộc đua công nghệ pin ngày càng đa dạng

Sự phát triển của pin kẽm–iốt cho thấy cuộc đua công nghệ pin đang bước sang một giai đoạn mới.

Thay vì chỉ tập trung vào lithium-ion, ngành năng lượng đang đồng thời nghiên cứu nhiều hóa học khác như sodium-ion, zinc-ion, zinc–iodine, pin dòng chảy và pin thể rắn.

Mỗi công nghệ có thể đảm nhận một phân khúc khác nhau.

Lithium-ion và LFP vẫn có lợi thế lớn về hệ sinh thái sản xuất, mật độ năng lượng và mức độ thương mại hóa. Sodium-ion đang được quan tâm ở những ứng dụng nhạy cảm với chi phí và nguồn nguyên liệu. Trong khi đó, zinc–iodine có thể tạo dấu ấn ở những hệ thống mà an toàn, tuổi thọ chu kỳ và khả năng sạc nhanh quan trọng hơn mật độ năng lượng.

“Tân binh” đáng theo dõi của thị trường lưu trữ năng lượng

Pin kẽm–iốt chưa phải là công nghệ có thể ngay lập tức thay thế lithium-ion. Tuy nhiên, kết quả mới từ Flinders University cho thấy công nghệ này đang giải quyết được một trong những điểm yếu lớn nhất của AZIB: tuổi thọ chu kỳ.

Khả năng hoạt động hơn 60.000 chu kỳ, kết hợp với thời gian sạc khoảng 3 phút ở cấu hình thử nghiệm nhất định, điện phân nền nước và vật liệu polymer nguồn gốc tinh bột đang tạo nên một hướng tiếp cận đáng chú ý cho ngành lưu trữ năng lượng.

Nếu các kết quả này tiếp tục được duy trì khi chuyển sang cell lớn hơn và hệ thống thực tế, pin kẽm–iốt có thể trở thành một trong những ứng viên đáng chú ý trong cuộc đua tìm kiếm công nghệ lưu trữ năng lượng an toàn, bền và bền vững hơn.

Cuộc đua này vì thế không đơn giản là câu chuyện “ai sẽ đánh bại lithium-ion”, mà đang dần trở thành cuộc cạnh tranh giữa nhiều hệ hóa học khác nhau để tìm ra công nghệ phù hợp nhất cho từng nhu cầu năng lượng.