VINACHEM

Cho đến nay, việc tìm ra một loại ắc quy hoàn hảo để lưu trữ điện lưới vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu. ắc quy lý tưởng phải có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng trong một thể tích nhỏ, đồng thời theo yêu cầu của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) giá thành lưu trữ năng lượng không được cao hơn 100 USD/kWh. ắc quy cũng phải có tuổi thọ vận hành cao, ví dụ 10.000 chu kỳ nạp - phóng điện, tức là tuổi thọ vận hành khoảng 25 năm.

Phần lớn các loại ắc quy hiện nay đều không đáp ứng ít nhất một trong những yêu cầu trên. ắc quy ion liti dùng cho máy tính xách tay và xe ôtô điện hiện có mật độ năng lượng trên 200 Wh/kg, nhưng chúng có giá cao gấp đôi yêu cầu của DOE. Các ắc quy kiểu dòng chảy oxy hóa khử cũng khá đắt. Các ắc quy chì axit hiện nay tương đối rẻ nhưng chúng chỉ có thể hoạt động trong 500 chu kỳ nạp - phóng điện và mật độ năng lượng của chúng cũng không cao. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã chế tạo ắc quy giá thành thấp với dung dịch kẽm và ion natri làm chất điện ly, nhưng loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp và tuổi thọ vận hành ngắn.

Trong quá trình tìm kiếm ắc quy mới đáp ứng những yêu cầu trên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Stanford (Mỹ) đã quay sang sử dụng nguyên liệu mangan với trữ lượng khá dồi dào trên Trái Đất. Kết quả là họ đã chế tạo được một loại ắc quy mới đáp ứng các yêu cầu quan trọng để lưu trữ điện lưới. ắc quy này có triển vọng sẽ trở thành ắc quy giá rẻ khi sản xuất quy mô lớn, vì nó sử dụng các nguyên liệu mangan và hydro sẵn có. Mật độ năng lượng của ắc quy mới đạt khoảng 140 Wh/kg, cao gấp 3 lần ắc quy chì axit, hơn nữa nó cũng có tuổi thọ vận hành rất cao, khoảng 10.000 chu kỳ nạp-phóng điện.

ắc quy mới có anôt làm bằng sợi cacbon tẩm chất xúc tác platin. Catôt là sợi cacbon không tẩm, còn chất điện ly là dung dịch mangan sunphat. Khi ắc quy nạp điện, khí hydro thoát ra tạo thành bong bóng trong quá trình chất xúc tác platin khử nước ở anôt. Trong khi đó, các ion mangan trong chất điện ly sẽ liên kết với oxy và kết lắng ở catôt dưới dạng MnO2 rắn. Quá trình ngược lại sẽ diễn ra khi ắc quy phóng điện: các ion mangan hòa tan trở lại vào chất điện ly, khí hydro bị oxy hóa để tạo thành nước, điện tử đi qua mạch ngoài.

Để sản xuất ắc quy mới, các nhà nghiên cứu đã cuộn tròn một lớp catôt và gắn nó vào thành ống thép không gỉ có kích thước như ắc quy C tiêu chuẩn. Họ đặt anôt nhỏ ở chính giữa ống thép, sau đó nạp khe trống bằng chất điện ly.

Các nhà nghiên cứu cho biết, ắc quy mới của họ lớn hơn nhiều so với những ắc quy thường được thử nghiệm trong các phòng thí nghiệm và có khả năng mở rộng kích thước một cách dễ dàng. ắc quy áp dụng trên thực tế sẽ có kích thước lớn, với một bình thép áp lực lớn để lưu trữ hydro. Nhóm nghiên cứu đã phát triển chất xúc tác giá thành thấp để thay thế platin, hiện họ đang thí nghiệm với các vật liệu catôt khác để cải thiện hiệu quả của ắc quy.

Theo các chuyên gia về lưu trữ năng lượng tại Đại học Tổng hợp California (Mỹ), ắc quy mới nói trên tương tự kiểu ắc quy niken-hydro được sử dụng để cấp điện cho vệ tinh. ắc quy niken - hydro có tuổi thọ vận hành rất cao, khoảng 20.000 chu kỳ nạp - phóng điện, nhưng chúng cũng rất đắt.

Ắc quy mangan mới cũng có thể gặp phải thách thức về giá thành, vì bình chứa hydro có kích thước lớn và có thể đắt. Tuy nhiên, đây không phải là trở ngại không thể vượt qua. Nếu các nhà khoa học Stanford tìm được giải pháp cho vấn đề này thì chi phí nguyên liệu của họ sẽ rất thấp.

HS

Theo Chemical & Engineering News, 5/2018