Trong cuộc đua phát triển pin thế hệ mới, lithium-ion vẫn là công nghệ thống trị gần như tuyệt đối. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm về mật độ năng lượng, loại pin này cũng đi kèm nhiều hạn chế như nguy cơ cháy nổ, chi phí nguyên liệu cao và những thách thức về môi trường. Chính vì vậy, trong nhiều năm qua, các nhà khoa học trên thế giới vẫn không ngừng tìm kiếm những giải pháp thay thế an toàn và rẻ hơn.
Mới đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Sungkyunkwan (Hàn Quốc) đã công bố một bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực này khi tìm ra cách cải thiện đáng kể hiệu suất của pin nước, một công nghệ từ lâu được xem là ứng viên tiềm năng để thay thế lithium-ion trong các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn.
Đó là vì pin nước, tức pin dùng dung dịch điện phân gốc nước thay cho hóa chất hữu cơ dễ cháy như lithium-ion, không bắt lửa, thân thiện với môi trường hơn và có thể rẻ hơn đáng kể để sản xuất. Vấn đề là chúng chưa đủ tốt để cạnh tranh thực sự với lithium-ion.
Kẽm, kim loại thường dùng làm điện cực trong pin nước, có xu hướng lắng đọng không đều trong quá trình sạc và tạo thành các cấu trúc bất quy tắc làm hỏng pin từ bên trong. Thêm vào đó, kẽm phản ứng với nước trong dung dịch điện phân gây ăn mòn, khiến pin mất dung lượng nhanh chóng.
Kết quả là pin nước thường có tuổi thọ ngắn hơn lithium-ion trong khi dung lượng cũng thua kém, hai vấn đề tồn tại song song mà các nhà nghiên cứu trước đây hiếm khi giải quyết được cùng lúc.
Giáo sư Hoseok Park và nhóm nghiên cứu tại Đại học Sungkyunkwan, hướng đến cách tiếp cận khác. Thay vì thay đổi thiết kế pin hay dùng vật liệu điện cực mới, họ chỉ thêm một lượng nhỏ chất phụ gia vào dung dịch điện phân sẵn có.
Chất phụ gia này có tên C10, thuộc nhóm zwitterionic, tức phân tử mang cả điện tích dương lẫn âm trong cùng một cấu trúc. Đặc tính đó cho phép C10 tương tác với các ion xung quanh theo cách mà các phân tử thông thường không làm được.
Khi được hòa vào dung dịch điện phân, các phân tử C10 không đứng yên mà tự sắp xếp thành các cấu trúc nano có đường kính khoảng 3,77 nanomet. Những cấu trúc nhỏ hơn một phần tỷ mét này thực hiện hai nhiệm vụ đồng thời.
Thứ nhất, chúng hoạt động như những tấm hướng dẫn, giúp ion kẽm lắng đọng đều đặn và trật tự hơn trên bề mặt điện cực thay vì tạo thành các cụm bất quy tắc gây hại. Thứ hai, chúng hình thành một lớp bảo vệ mỏng bao phủ bề mặt kẽm, ngăn kim loại này tiếp xúc trực tiếp với nước trong dung dịch và hạn chế các phản ứng ăn mòn không mong muốn.
Hiệu quả của giải pháp này vượt xa những gì các nhóm nghiên cứu trước đây đạt được. Pin được cải tiến bằng C10 duy trì hoạt động ổn định liên tục hơn 2.800 giờ trong điều kiện kiểm tra, đồng thời đạt công suất diện tích 8,10 mAh cm⁻², con số mà nhóm nghiên cứu mô tả là cao nhất từng được ghi nhận trong các hệ thống pin nước đến thời điểm này.
Điều đáng chú ý là hai chỉ số này thường đánh đổi lẫn nhau trong các thiết kế pin trước đây, cải thiện tuổi thọ thường đồng nghĩa với giảm dung lượng và ngược lại. Phương pháp dùng C10 đạt được cả hai cùng lúc mà không cần thay đổi cấu trúc pin hay sử dụng vật liệu đắt tiền.
Giáo sư Park nhận xét về kết quả: "Chúng tôi đã chứng minh rằng hiệu suất của pin nước có thể được cải thiện đáng kể thông qua cách tiếp cận đơn giản là thêm một lượng nhỏ vật liệu vào dung dịch điện phân, mà không cần vật liệu đắt tiền hay quy trình sản xuất phức tạp."
Đây chính là lợi thế thực tế quan trọng nhất: vì không cần thay đổi kiến trúc pin hay dây chuyền sản xuất, phương pháp này có thể được áp dụng cho các hệ thống pin nước hiện tại mà không tốn chi phí chuyển đổi lớn.
Nhóm nghiên cứu xác định hai lĩnh vực ứng dụng chính. Thứ nhất là lưu trữ năng lượng quy mô lớn cho lưới điện tái tạo, nơi an toàn, chi phí thấp và độ bền cao quan trọng hơn mật độ năng lượng. Thứ hai, và đáng chú ý hơn trong bối cảnh hiện tại, là hạ tầng AI và trung tâm dữ liệu đang tăng trưởng bùng nổ.
Các trung tâm dữ liệu cần nguồn lưu trữ điện ổn định, an toàn và có thể mở rộng quy mô, những yêu cầu mà pin nước với hiệu suất mới có thể đáp ứng tốt hơn lithium-ion trong các ứng dụng cố định. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành và đang được đánh giá về tiềm năng thương mại hóa.
Nguyễn Hải
