Sẽ ra sao nếu viên pin bạn đang dùng có thể "sống thọ" hơn cả vài đời người, và khi hỏng, bạn có thể đổ nó ra vườn mà không lo ô nhiễm?
Với việc loại bỏ hoàn toàn các thành phần độc hại, thiết kế pin gốc nước (aqueous battery) mới này hứa hẹn sẽ cải thiện đáng kể độ an toàn và tuổi thọ cho các hệ thống lưu trữ năng lượng khổng lồ.
Đột phá từ Trung Quốc: Viên pin "xuyên thế kỷ"
Các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc vừa tiên phong tạo ra một công thức "pin nước" không độc hại, với tuyên bố đầy ấn tượng: tuổi thọ cao gấp 10 lần so với những thiết bị tốt nhất hiện nay.
Điều đáng nói là loại pin nước này đạt được vòng đời kỷ lục mà không hề bị xuống cấp, đồng thời có thể thải bỏ một cách an toàn ra môi trường tự nhiên, theo báo cáo từ nghiên cứu mới nhất của nhóm.
Để đạt được kỳ tích này, các nhà khoa học đã sử dụng vật liệu polyme hữu cơ liên kết cộng hóa trị tổng hợp (COPs).
Đây là những phân tử hữu cơ siêu bền (như nitơ và carbon) được gắn kết chặt chẽ trong một cấu trúc có các lỗ mở rõ ràng, đóng vai trò làm cực dương cho các ion magie và canxi.
Thông thường, các polyme hữu cơ như thế này ít khi được trọng dụng vì chúng thường "yểu mệnh" trong môi trường pin nước.
Chúng nhanh chóng bị phá vỡ trong các chất điện phân gốc nước vốn thường có tính axit hoặc kiềm cực mạnh.
Tuy nhiên, chất điện phân lại là yếu tố sống còn để vận chuyển các ion giữa cực dương và cực âm, đó là lý do tại sao pin nước luôn là lựa chọn thay thế rẻ tiền và không gây cháy nổ so với pin truyền thống.
Công thức "tổ ong" và bí mật từ nước muối... làm đậu phụ
Trong nghiên cứu được công bố ngày 18/2 trên tạp chí Nature Communications, nhóm chuyên gia đã tìm ra một hợp chất đặc biệt mang tên hexaketone-tetraaminodibenzo-p-dioxin.
Hợp chất này kết hợp giữa carbonyl mật độ cao (lý tưởng để thu hút các ion dương) với phân tử tetraaminodibenzo-p-dioxin cứng cáp, giúp giữ cho cấu trúc của hexaketone luôn ở dạng phẳng như một tổ ong bền vững.
Hệ thống sử dụng chất điện phân trung tính với độ pH bằng 7.0, giúp dẫn truyền các ion với hiệu suất cực cao.
Nhờ cấu trúc được tinh chỉnh tỉ mỉ, chất điện phân này có thể hoạt động mà không hề ăn mòn vật liệu COP.
Các nhà nghiên cứu khẳng định loại polyme này có thể chịu được 120.000 chu kỳ sạc, gấp 10 lần tuổi thọ của pin Lithium-ion (Li-ion) tiêu chuẩn dùng cho lưu trữ điện lưới.
Theo dữ liệu từ Energy Sustainability Directory, các hệ thống pin lưới điện thường hoàn thành trung bình 1,1 chu kỳ sạc/ngày vào năm 2024.
Với tốc độ này, viên pin nước mới có thể hoạt động bền bỉ trong khoảng 300 năm trước khi cần thay thế, nghĩa là tồn tại đến tận thế kỷ 24.
Kinh ngạc hơn, nhóm nghiên cứu cho biết chất điện phân trong loại pin này an toàn đến mức có thể dùng làm... nước muối làm đậu phụ.
Nó hoàn toàn không độc hại và cực kỳ dễ dàng để xử lý trực tiếp ra môi trường.
Ưu thế vượt trội của pin nước
Pin nước đặc biệt được ưa chuộng cho các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn (lưới điện) nhờ đặc tính không cháy nổ và chi phí đầu tư ban đầu thấp.
Tuy nhiên, chúng cũng có những điểm yếu cố hữu:
Mật độ năng lượng thấp: Pin nước không lưu trữ được nhiều năng lượng như pin Li-ion hay pin Natri-ion (Na-ion) do các điện cực gốc nước giới hạn mức điện áp tối đa.
Sự xuống cấp: Theo thời gian, độ pH khắc nghiệt của chất điện phân sẽ tạo ra khí hydro và oxy, gây ăn mòn các thành phần kim loại.
Hiện tượng này (gọi là phân hủy điện phân) thậm chí có thể gây ra cháy nổ trong những trường hợp cực đoan.
Để khắc phục, người ta thường phải xây dựng những hệ thống pin nước với kích thước khổng lồ để bù đắp cho công suất thấp.
Rủi ro môi trường: Thông thường, dung dịch trong pin nước vẫn có tính độc hại nhất định, đòi hỏi quy trình xử lý nghiêm ngặt, làm tăng chi phí bảo trì và rủi ro nếu chẳng may xảy ra sự cố rò rỉ.
Tương lai xanh và bền vững
Trong một nghiên cứu năm 2023 trên tạp chí Nature, các nhà khoa học từng chỉ trích chi phí cao, sự hao mòn và độc tính môi trường là những rào cản lớn của pin nước.
"Hao mòn" ở đây chính là sự sụt giảm dần dung lượng và hiệu suất theo thời gian, nỗi ám ảnh quen thuộc với bất kỳ ai dùng smartphone quá vài năm.
Bước đột phá mới nhất này ra đời nhằm giải quyết triệt để những thiếu sót đó.
Với thành phần hóa học vừa không độc hại vừa đạt hiệu suất cao trong dài hạn, công nghệ này không chỉ kéo dài tuổi thọ pin mà còn xóa bỏ những rắc rối phức tạp trong việc xử lý rác thải pin sau này.
Tuy nhiên, yếu tố then chốt quyết định thành bại nằm ở chỗ: liệu công nghệ này có khả năng mở rộng quy mô sản xuất, có đủ mật độ năng lượng để cạnh tranh sòng phẳng và duy trì được mức giá rẻ ở cấp độ công nghiệp hay không.
Bên cạnh đó, một công nghệ pin mới cũng cần chứng minh được khả năng vận hành ổn định trong điều kiện thực tế khắc nghiệt, thay vì chỉ hoạt động tốt trong môi trường phòng thí nghiệm lý tưởng.
Nếu giải quyết được những bài toán hóc búa này, loại pin mới mới thực sự có tiềm năng "đi đường dài".
Một khi biến những lý thuyết này thành hiện thực, viên pin "nước muối đậu phụ" này sẽ trở thành một công cụ vô giá cho việc điều tiết lưới điện năng lượng tái tạo cũng như thúc đẩy các dự án điện khí hóa tại những khu vực nông thôn xa xôi.
Nguồn: Live Science, Interesting Engineering
.png "Khai giảng 2 lớp cập nhật kiến thức về thẩm định giá tại Hà Nội")
