Ắc quy sạc dòng dạng kiềm giúp lưu trữ năng lượng tái sinh

Ngày nay, khi tìm cách đáp ứng nhu cầu điện luôn thay đổi của người tiêu dùng, các nhà máy điện ngày càng quan tâm đến việc sử dụng năng lượng Mặt Trời và năng lượng gió.

Bộ sạc ắc quy, máy nạp điện 12V, 24V, 36V, 48V, 72V

Nhiều nước trên thế giới đã nhận thấy công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn sẽ là phương án có hiệu quả để kết hợp năng lượng tái sinh vào chiến lược năng lượng quốc gia nhằm hạn chế sử dụng than và khí thiên nhiên, đồng thời tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của các hệ thống điện lưới quốc gia.

Công nghệ ắc quy có thể là giải pháp cho vấn đề lưu trữ năng lượng nói trên. Tuy thị trường năng lượng hiện có rất nhiều sản phẩm khác nhau, từ pin quang điện dạng ion liti đến axit chì, nhưng những loại pin quang điện này thường đắt tiền và có thể gây nguy hiểm khi vận hành ở quy mô công nghiệp, chúng cũng không có khả năng lưu trữ năng lượng trong thời gian dài.

Vừa qua, các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Colorado Boulder (Mỹ) đã phát triển một loại ắc quy sạc dòng mà họ hy vọng sẽ giải quyết thách thức kỹ thuật trong việc lưu trữ năng lượng từ các nguồn năng lượng có thể tái sinh như phong điện và điện Mặt Trời.

Hiệu quả của ắc quy mới tương đương với hiệu quả của các loại ắc quy sạc dòng thương mại hiện nay, nhưng nó sử dụng các hợp chất hữu cơ rẻ tiền và không độc hại để lưu trữ năng lượng. Trong khi đó, các loại ắc quy sạc dòng đang được sử dụng hiện nay đều sử dụng các chất tan dạng kim loại chuyển tiếp nguy hiểm.

Theo một nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Case Western Reserve (Mỹ), ắc quy sạc dòng là loại ắc quy khác hẳn so với các loại ắc quy thông thường hiện nay và chúng thích hợp hơn cho việc lưu trữ năng lượng ở quy mô lớn.

ắc quy sạc dòng hoạt động tương tự như pin nhiên liệu. Trong pin nhiên liệu, các dòng khí hydro và oxy đi vào thiết bị chuyển đổi năng lượng được tách riêng bằng màng ngăn. Nhưng trong ắc quy sạc dòng, chất điện ly tích điện dương và âm được bơm vào ắc quy từ các bình chứa riêng rẽ. Điện tử giải phóng từ chất điện ly tích điện dương sẽ đi qua mạch ngoài để kết hợp với chất điện ly tích điện âm, còn cation từ điện cực được giải phóng và đi qua màng chọn lọc ion. Sau khi đi qua quá trình nạp điện như vậy, chất điện ly có thể được lưu trữ trong các bình chứa bên ngoài. Do dòng chảy của ắc quy có thể được đảo ngược nên chất điện ly có thể được bơm trở lại qua ắc quy trung tâm để phóng điện vào một thời điểm muộn hơn.

Nguyên lý hoạt động như trên khiến cho ắc quy sạc dòng có thể dễ dàng được nâng cấp và điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu. Vì thời gian phóng điện tăng theo kích thước của bình chứa chất điện ly bên ngoài mà không phụ thuộc vào số ắc quy được sử dụng nên người ta chỉ cần sử dụng một ắc quy.

Tuy nhiên, tương tự như các ắc quy thông thường, ắc quy sạc dòng trên thị trường có chứa các chất điện ly đắt tiền và nguy hiểm. Phần lớn các ắc quy sạc dòng đang được bán ra và sử dụng hiện nay đều là ắc quy sạc dòng dạng vanađi, chúng sử dụng ion vanađi hòa tan trong axit sunphuric. Một trở ngại lớn đối với việc áp dụng rộng rãi những thiết bị như vậy là giá thị trường của vanađi rất cao.

Các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Colorado Boulder đã quyết định thay thế các thành phần trong ắc quy sạc dòng thông thường bằng các hợp chất rẻ tiền hơn, sẵn có và không độc hại. Họ hòa tan các hợp chất hữu cơ sẵn có trên thị trường là 2,6-dihydroxyanthraquinon và feroxyanua (thường được sử dụng làm phụ gia thực phẩm) trong hai dung dịch 1M KOH riêng rẽ, sau đó bơm chúng vào ắc quy sạc dòng loại nhỏ, ở quy mô phòng thí nghiệm. ắc quy này được chế tạo từ các tấm graphit và điện cực giấy than, nó hoạt động tương tự ắc quy có chứa vanađi và vận hành ở điện áp 1,2 V, tức là nằm trong phạm vi điện áp cần thiết để có thể ứng dụng đại trà.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, không những ắc quy mới có thể vận hành tại điện áp mong muốn ở nhiệt độ phòng, mà điều bất ngờ là nó duy trì hoạt động một cách ổn định. Các hợp chất hữu cơ nói trên cũng đã được sử dụng thực tế trong các quá trình công nghiệp khác từ nhiều thập niên nay, ví dụ trong ngành sản xuất thuốc nhuộm và sản xuất giấy.

Các nhà khoa học tin rằng, khi vận hành ở pH cao hơn, ắc quy sạc dòng dạng kiềm như trên sẽ đạt hiệu quả cao hơn so với ắc quy dạng axit và có thể mở ra triển vọng sản xuất các chất điện ly loại mới. Một ưu điểm quan trọng khác là nó ít bị ăn mòn hơn. Nếu sử dụng các hợp chất quinon khác, người ta cũng có thể sản xuất các loại ắc quy khác nhau với chi phí rẻ hơn và hiệu quả cao hơn khi vận hành dài hạn.

Theo ChemistryWorld, 1/2016