Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) - một phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng ở Richland, Wash đang phát triển một loại pin có thể giải quyết vấn đề điện dư thừa theo mùa do các tuabin điện tạo ra. Trong một bài báo gần đây được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science, họ đã chứng minh cách đông lạnh và làm tan dung dịch muối nóng chảy tạo ra một loại pin sạc lại có thể lưu trữ năng lượng với giá rẻ và hiệu quả trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng.

Việc tạo ra loại pin này rất quan trọng trong việc chuyển lưới điện của Hoa Kỳ khỏi các nhiên liệu hóa thạch thải ra khí nhà kính và hướng tới năng lượng tái tạo. Tổng thống Joe Biden đã đặt mục tiêu cắt giảm một nửa lượng khí thải carbon của Hoa Kỳ vào năm 2030. Điều này đòi hỏi sự gia tăng lớn của gió, năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng sạch khác, cũng như các cách để lưu trữ năng lượng mà họ sản xuất.

Hầu hết các loại pin thông thường dự trữ năng lượng dưới dạng các phản ứng hóa học. Khi pin được nối với mạch ngoài, các electron đi từ điện cực này sang điện cực kia của pin qua mạch đó và tạo ra điện. Để thay thế cho sự thay đổi, các hạt mang điện được gọi là ion di chuyển qua chất lỏng, hồ hoặc vật liệu rắn ngăn cách hai mặt của pin. Nhưng ngay cả khi không sử dụng pin, các ion dần dần khuếch tán qua vật liệu này, được gọi là chất điện phân. Khi điều đó xảy ra trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng, pin sẽ mất năng lượng. Một số loại pin sạc lại có thể mất gần một phần ba lượng pin dự trữ trong một tháng.

Nhà nghiên cứu Guosheng Li của PNNL - người đứng đầu dự án cho biết: “Trong pin của chúng tôi, chúng tôi thực sự đã cố gắng ngăn chặn tình trạng tự phóng điện này”. Chất điện phân được tạo thành từ dung dịch muối rắn ở nhiệt độ thường nhưng trở thành chất lỏng khi được làm nóng đến 180 độ C bằng nhiệt độ mà bánh quy được nướng. Khi chất điện phân ở thể rắn, các ion bị khóa lại, ngăn cản quá trình tự phóng điện. Chỉ khi chất điện phân hóa lỏng thì các ion mới có thể chạy qua pin, cho phép nó sạc hoặc xả.

Việc tạo ra một loại pin có thể chịu được các chu kỳ làm nóng và làm mát lặp đi lặp lại rất kỳ công. Sự dao động nhiệt độ khiến pin nở ra và co lại, các nhà nghiên cứu phải xác định các vật liệu đàn hồi có thể chịu được những thay đổi này. Vince Sprenkle - cố vấn chiến lược về lưu trữ năng lượng tại PNNL và là đồng tác giả của bài báo mới cho biết: “Những gì chúng tôi đã thấy trước đây là rất nhiều nghiên cứu tích cực để đảm bảo bạn không phải trải qua chu trình nhiệt đó. Chúng tôi muốn vượt qua nó và chúng tôi muốn có thể tồn tại và sử dụng nó như một tính năng chính”.

Pin sạc được làm từ vật liệu tương đối rẻ có thể lưu trữ năng lượng trong thời gian dài. Aurora Edington - giám đốc chính sách của hiệp hội ngành điện GridWise Alliance cho biết: “Đó là một ví dụ tuyệt vời về công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn đầy hứa hẹn. Tôi nghĩ chúng ta cần hỗ trợ những nỗ lực đó và xem chúng ta có thể đưa chúng đến thương mại hóa bao xa”.

Công nghệ này có thể đặc biệt hữu ích ở một số nơi chẳng hạn như Alaska, nơi ánh sáng mặt trời mùa hè gần như ổn định đồng thời tỷ lệ sử dụng năng lượng tương đối thấp. Một tấm pin lưu trữ năng lượng trong nhiều tháng có thể cho phép nguồn năng lượng mặt trời dồi dào vào mùa hè để đáp ứng nhu cầu điện vào mùa đông. Rob Roys - giám đốc đổi mới tại Launch Alaska, một tổ chức phi lợi nhuận hoạt động để đẩy nhanh việc triển khai các công nghệ khí hậu trong bang, cho biết: “Điều rất hấp dẫn về pin đông lạnh là khả năng thay đổi theo mùa”. Roys hy vọng các nhà nghiên cứu sẽ thử nghiệm pin PNNL ở một vùng xa xôi của bang.

Tuy nhiên, làm nóng pin có thể là một thách thức, đặc biệt ở những nơi có khí hậu lạnh. Ngay cả trong điều kiện ôn hòa, quá trình làm nóng cần năng lượng tương đương với khoảng 10 đến 15% dung lượng của pin. Các giai đoạn sau của dự án sẽ khám phá các cách để giảm yêu cầu nhiệt độ và kết hợp hệ thống sưởi ấm vào pin. Tính năng này sẽ đơn giản hóa pin cho người dùng và phù hợp để sử dụng tại nhà hoặc với quy mô nhỏ.

Hiện tại công nghệ thử nghiệm đang hướng tới mục đích sử dụng quy mô tiện ích và công nghiệp. Pin sẽ được sạc tại chỗ, được phép làm mát và chuyển đến trạm biến áp, nơi năng lượng có thể được phân phối qua các đường dây điện khi cần thiết.

Nhóm PNNL có kế hoạch tiếp tục phát triển công nghệ, nhưng việc phát triển một sản phẩm thương mại sẽ phụ thuộc vào ngành công nghiệp. Sprenkle nói: “Công việc của chúng tôi tại DOE thực sự là tìm tòi các công nghệ mới. Ngành công nghiệp sẽ đưa ra quyết định liệu điều đó có bị chế nhạo hay không hoặc họ sẽ tiếp tục và thực hiện nó”.

DOE đang tìm cách để giảm sự chậm trễ của nghiên cứu ban đầu và thương mại hóa công nghệ năng lượng. Ví dụ, các nhà khoa học đã bắt đầu phát triển pin lithium-ion từ những năm 1970, nhưng loại pin này không xuất hiện trong các sản phẩm tiêu dùng cho đến khoảng năm 1991 và không được đưa vào lưới điện cho đến cuối những năm 2000. Sprenkle cho biết trí tuệ nhân tạo và máy móc có thể giúp đẩy nhanh quá trình xác nhận và thử nghiệm các công nghệ mới, cho phép các nhà nghiên cứu lập mô hình và dự đoán hiệu suất pin trong một thập kỷ mà không cần 10 năm để thu thập dữ liệu.

Hiện vẫn chưa rõ việc áp dụng có diễn ra đủ nhanh để đáp ứng các mục tiêu khử cacbon hay không. Sprenkle nói: “Nếu chúng ta thực sự đang cố gắng đạt được các mục tiêu khử cacbon vào năm 2030, 2035, thì tất cả những công nghệ này cần phải được tăng tốc bởi khoảng 5 nhân tố. Bạn đang xem xét những phát triển cần phải trực tuyến, được xác thực và sẵn sàng triển khai trong vòng bốn đến năm năm tới để thực sự, thực sự có tác động”.

Mỹ Linh