Trong bối cảnh thế giới đang tiếp tục chuyển hướng sang những dạng năng lượng tái tạo như điện gió và mặt trời, các nhà khoa học nhận thấy loại thiết bị sử dụng pin dòng oxy hóa khử có khả năng trở thành giải pháp hữu hiệu cho nhu cầu lưu trữ điện năng.
Mặc dù còn rất nhiều việc phải làm để cải thiện hiệu suất và tính bền vững của những thiết kế hiện tại, nhưng các nhà khoa học từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã đưa ra một hướng tiếp cận giải quyết được vấn đề trên cả hai phương diện, nhờ trích xuất một hợp chất thường thấy trong nến – giúp tăng cường đáng kể mật độ năng lượng và tuổi thọ pin.
Pin dòng oxy hóa khử được xem là một ứng viên sáng giá để lưu trữ các dạng năng lượng không liên tục như điện gió và mặt trời. Không giống pin lithium-ion (lưu trữ năng lượng tại vật liệu dùng làm điện cực), loại pin này lưu trữ năng lượng dưới dạng chất điện giải lỏng trong bồn chứa lớn đặt bên ngoài. Điều này đồng nghĩa với việc nó có tiềm năng lưu trữ rất lớn, bởi chỉ cần gia tăng kích thước của bồn chứa là có thể tăng cường dung lượng. Đây là thuộc tính rất phù hợp với năng lượng tái tạo – vốn khó chủ động sản xuất theo nhu cầu, nhưng vẫn cần lưu trữ để phân phối và sử dụng.
Trước khi mở rộng quy mô của các thiết bị sử dụng pin dòng oxy hóa khử cho ứng dụng trên lưới điện phổ thông, vẫn còn một số nút thắt trong thiết kế cần được tháo gỡ. Hầu hết pin dòng oxy hóa khử hiện nay đều dựa vào kim loại vanadi – có nhiều đặc tính thuận lợi cho sự di chuyển của dòng electron, mang lại sự ổn định cao trong quá trình sạc sả. Tuy nhiên, chi phí khai thác kim loại này lại rất tốn kém. Vì thế, các nhà khoa học đã tìm đến những vật liệu hữu cơ có đặc tính tương tự như là tùy chọn thay thế rẻ và thân thiện hơn với môi trường.
Chúng ta cuối cùng cũng được chứng kiến những tiến bộ quan trọng khi các nhà khoa học tìm ra cách kết hợp một số hợp chất trong vỏ tôm, polyme hữu cơ và nước muối. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) trực thuộc DOE còn tìm ra một ứng viên nữa đầy hứa hẹn: hợp chất hữu cơ mang tên fluorenone – vốn hay được sử dụng trong đèn LED, pin mặt trời và để tạo mùi thơm cho nến.
Mặc dù vậy, còn rất nhiều việc phải làm để fluorenone được sử dụng rộng rãi trên pin dòng oxy hóa khử. Ở dạng thông thường, phân tử fluorenone không đủ hòa tan và nó cũng không có khả năng cho/nhận electron dễ dàng. Nhưng bằng một quy trình xử lý hóa học phức tạp, các nhà nghiên cứu đã giải quyết được hạn chế này và trang bị cho fluorenone những đặc tính cần thiết để được sử dụng cho pin dòng oxy hóa khử dạng lỏng.
“Đây là một minh chứng tuyệt vời về khả năng sử dụng kỹ thuật phân tử để thay đổi tính chất vật liệu, từ một thứ được xem là vô dụng thành vật liệu hữu ích cho quá trình lưu trữ năng lượng”, TS. Wei Wang – tác giả nghiên cứu – cho biết. “Đây là chìa khóa quan trọng mở ra không gian phát triển cho rất nhiều ứng dụng hóa học mới vẫn đang chờ chúng ta khám phá.”
Vì khả năng thực hiện các phản ứng cần thiết của fluorenone trong quá trình điện phân nước phụ thuộc vào nồng độ của nó, cho nên nhóm nghiên cứu đã đưa ra một công thức tối ưu. Mẫu pin dòng oxy hóa khử do nhóm chế tạo tuy có kích thước khiêm tốn – chỉ bằng một con tem thư thông thường, nhưng lại hoạt động được liên tục trong 120 ngày. Nó có thể trải qua 1.111 chu kỳ sạc mà chỉ sử dụng hết hơn 3% công suất, cho thấy tuổi thọ vượt trội so với các loại pin dòng hữu cơ khác. Và đặc biệt hứa hẹn, nhóm cho biết nó còn sở hữu mật độ năng lượng gấp đôi pin làm từ vanadi.
Các tác giả hiện đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế và công bố kết quả này trên tạp chí Science danh tiếng.
Minh Phương (theo Pacific Northwest National Laboratory)