Tìm Hiểu Về Pin Kim Loại Lỏng: Nguyên Lý Và Ứng Dụng

Nhóm nghiên cứu gồm giáo sư Donald Sadoway và tiến sĩ David Bradwell, tại Viện Công nghệ Massachusettes, Mỹ đã chế tạo thành công mẫu sản phẩm pin kim loại lỏng với tính năng đột phá. Loại pin này tự sản sinh ra dòng điện khi hai kim loại không đồng dạng kết hợp để tạo thành một hợp kim. Khi pin sạc làm đảo ngược tiến trình tái cấu trúc các kim loại ban đầu. Vì các kim loại và chất điện phân cần ở dạng lỏng cho sự chuyển động ion cần thiết dẫn đến các phản ứng xảy ra, pin phải hoạt động ở nhiệt độ rất cao. Tuy nhiên điều này cho phép mật độ dòng điện rất cao và cường độ lớn hơn so với pin thông thường. Chính vì vậy pin kim loại lỏng thích hợp cho các thiết bị sử dụng điện lưới thông thường

• Pin Kim Loại Lỏng – Bước Đột Phá Phát Triển Năng Lượng Tái Tạo…
• khử mặn nước đơn giản bằng năng lượng mặt trời
• Một số câu hỏi hay về sử dụng ắc quy

Các nghiên cứu phát triển ban đầu được tiến hành bằng cách sử dụng các điện cực kim loại bằng magiê (Mg) và antimon (Sb) với một chất điện phân gồm clorua magiê, natri và kali (MgCl2 : NaCl : KCl (50:30:20 mol %)). Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều loại hợp kim thay thế khác nhau nhằm cải thiện hiệu suất và giảm chi phí, nhưng để dể hiểu hơn cách thức hoạt động, bản phân tích này sẽ dựa trên các thành phần nguyên thuỷ ban đầu

Sơ đồ dưới đây thể hiện cấu trúc và nguyên lý hoạt động của pin kim loại lỏng. Cell pin được cấu tạo bởi một lớp vỏ bọc cách điện chứa hai kim loại: magiê và antimon, ngăn cách bởi chất điện phân là muối nóng chảy. Do mật độ và mức độ không hoà trộn khác nhau, khi đun nóng đến dạng lỏng, ba thành phần hoạt động kể trên không hoà lẫn mà tự cách ly theo mật độ của chúng và trôi vào ba lớp riêng biệt. Tuy nhiên, các chất điện phân có thể hòa tan cả các kim loại. Vì thế, không cần màng ngăn như được sử dụng trong các cell pin thông thường.

Nguyên Lý Hoạt Động

Hoạt Động Xả

Magie đóng vai trò cung cấp các hạt điện tích (electrons) và chu kỳ xả bắt đầu với sự thừa của các electron trên các cực thu dòng âm (anode) hỗ trợ một điện trường ngang qua cell giữa anode và cực thu dòng dương (cathode). Có một số lượng tối đa của magiê trong lớp anode và antimon tinh khiết trong lớp cathode.

Trong thời gian xả, anode magiê bị tiêu hao vì ion dương Mg2 + di chuyển từ lớp magiê phía trên rỉ ra qua chất điện phân để tạo thành một hợp kim Mg – Sb với antimon trong lớp phía dưới, điều này làm tăng thể tích của nó. Các electron dư thừa trên anode chảy qua mạch bên ngoài tới các cathode, tại đó các electron trung hòa điện tích dương của các ion dương. Dòng ngoài chảy theo hướng ngược lại chiều của các electron, đó là, từ cathode (đầu dương) đến anode (đầu âm) cung cấp điện cho tải. Chất điện phân không tham gia vào phản ứng hoá học. Điện áp xả là 0.4V.

Hoạt Động Sạc

Năng lượng từ một nguồn bên ngoài dẫn các electron theo hướng ngược lại đồng thời kéo các ion magiê từ hợp kim Mg – Sb trả lại lớp magiê kim loại trở về lớp trên cùng, từ đó tái hình thành hệ thống có ba lớp chất lỏng riêng biệt. Khi sạc xong, vẫn tồn tại sự khác biệt điện áp giữa hai điện cực, cung cấp điện trường đưa dòng điện qua tải ngoài.

Điện áp sạc là 0.55V

Lưu ý: Pin không cần nguồn nhiệt bên ngoài vì nhiệt độ cao được duy trì bằng cách tự nung nóng do dòng điện chảy và các phản ứng hóa học. Các magiê – antimon cell nguyên mẫu cần một nhiệt độ nóng chảy khoảng 700°C (1300°F) hoặc cao hơn, nhưng sau đó, các nhà nghiên cứu đã tìm ra chất hóa học thay thế để giảm nhiệt độ nóng chảy xuống đến 450°C (842°F).

Hiệu Suất Cell

Đường Cong Sạc – Xả

Trường hợp điện áp cell là 0.4V và dòng xả 50 mA/cm2, 100 cm2 diện tích cell sẽ cung cấp 2W hoặc 200 W/m2

Dung lượng Cell (Cell Capacity) với Tỉ lệ xả (Discharge Rate)

 Đồ thị phía dưới thể hiện rằng việc tăng dòng xả cell dẫn đến sự giảm mạnh ở cả hai điện áp và dung lượng cell.

10 cm2 có thể cung cấp 50Wh với dòng xả 5Amps nhưng nếu dòng tăng lên 20 Amps thì dung lượng là 20 Wh

Hiệu suất Coulombs của quá trình hóa học Mg – Sb ban đầu là khoảng 98 % không tính đến năng lượng bị mất đi khi duy trì nhiệt độ cao của cell, hiệu suất hai chiều sạc – xả của cell là khoảng 69% .

Điện áp cell thấp có nghĩa là phải cần số lượng lớn cell để tạo ra pin dung lượng cao. Tuy nhiên nhờ vào mật độ dòng cao của từng cell, công nghệ cell mới này vẫn tốt hơn khoảng mười lần so với cell thông thường.

Ưu Điểm

• Mật độ dòng cao (tương đương với khả năng cung cấp dòng cao).
• Vòng đời kéo dài (vòng đời được dự kiến là hơn 10,000 chu kỳ)
• Thiết kế theo module, có thể chế tạo được kích thước lớn lên đến nhiều megawatt
• Chi phí nguyên vật liệu thấp
• Vận hành đơn giản
• Thời gian phản ứng như với tất cả các pin điện hóa nhanh trên từng mili giây.
• Các điện cực lỏng được khôi phục lại qua mỗi chu kỳ sạc, nhờ đó có thể loại trừ dung lượng ảo được hình thành từ các tinh thể có dạng nhánh cây hoặc phân mảnh xảy ra như loại pin thông thường, tạo nên vòng đời dài hơn.
• Không cần hệ thống quản lý giám sát năng lượng pin BMS

Phát Triển Trong Tương Lai

Mặc dù pin đã được chứng minh thành công trong thực tế, nhóm nghiên cứu vẫn đang không ngừng thử nghiệm nhiều loại hợp kim làm điện cực có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất và mức độ tiêu hao ít hơn nữa để có thể đưa vào sản xuất đại trà trong thời gian tới.

Chất liệu hoá học mới của cell đã được ứng dụng để giảm nhiệt độ hoạt động xuống còn 450°C như đã nói ở trên. Điều này mạng lại sự cải thiện về hiệu suất hai chiều sạc –xả tới 75%, được ứng dụng hiệu quả cho hệ thống bơm lưu trữ, mà không yêu cầu đặc biệt về địa điểm lắp đặt.

Điện áp cao hơn được thử nghiệm thành công bằng cách thay thế các anode magiê với lithium. Nhóm nghiên cứu giảm chi phí nguyên liệu cũng như nhiệt độ hoạt động (từ 700°C xuống còn 450°C) thành công nhờ vào sử dụng hợp kim của antimon và một lượng nhỏ chì.

Ứng Dụng

Dòng điện nạp xả cao cùng với khả năng lưu trữ lớn và tuổi thọ lâu, pin kim loại lỏng được hứa hẹn là giải pháp lý tưởng cho việc lưu trữ nguồn năng lượng lớn từ lưới điện để dùng cho tải khi mất lưới đặc biệt là dùng để lưu trữ trong hệ thống điện mặt trời, điện gió.

Xem thêm: Pin năng lượng có thể tạo ra điện vào ban đêm