Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cho biết đã phát triển một loại điện phân mới cho pin dòng chảy toàn sắt, có thể duy trì hiệu suất gần như không suy giảm sau hơn 6.000 chu kỳ sạc-xả. Nhóm nghiên cứu cho rằng chi phí nguyên liệu của công nghệ này có thể thấp hơn pin lithium tới 80 lần, qua đó mở ra tiềm năng cho các hệ thống lưu trữ điện quy mô lưới thế hệ mới.

Theo CleanTechnica ngày 28/4 (giờ địa phương), kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.

Trọng tâm của nghiên cứu là khắc phục điểm yếu lớn nhất của pin dòng chảy toàn sắt: độ ổn định dài hạn. Dòng pin này sử dụng điện phân nền sắt cho cả cực dương lẫn cực âm, có ưu thế về giá nguyên liệu và mức độ an toàn cao hơn nhờ rủi ro cháy nổ thấp. Vì vậy, công nghệ này từ lâu đã được xem là một lựa chọn tiềm năng cho lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Tuy nhiên, các thiết kế trước đây bị hạn chế bởi phản ứng phụ sinh khí hydro ở cực âm, làm thất thoát vật liệu hoạt tính và gây hiện tượng khuếch tán chéo giữa các chất điện phân. Những yếu tố này khiến tuổi thọ chu kỳ của pin suy giảm theo thời gian.

Để xử lý vấn đề, nhóm nghiên cứu đã thiết kế lại cấu trúc điện phân ở cực âm dựa trên phức sắt. Theo nhóm, cấu trúc mới có độ cản trở lập thể lớn và lớp bảo vệ mang điện âm, qua đó đồng thời cải thiện độ ổn định điện hóa và hạn chế hiện tượng thẩm thấu qua màng.

Nhóm đã thiết kế 11 loại phức sắt từ 12 phối tử hữu cơ, sau đó sàng lọc để chọn ra công thức điện phân cuối cùng. Trong thử nghiệm, pin dòng chảy toàn sắt sử dụng điện phân này vận hành ổn định hơn 6.000 chu kỳ sạc-xả ở mật độ dòng 80 mA/cm².

Chi phí nguyên liệu cũng là một điểm đáng chú ý. Giá lithium carbonate, nguyên liệu cốt lõi của pin lithium-ion, đã dao động trong khoảng 7.000-80.000 USD mỗi tấn trong 5 năm qua. Trong khi đó, sắt sulfate - nguyên liệu dùng cho pin dòng sắt - có thể được cung ứng với chi phí tương đối thấp dưới dạng phụ phẩm công nghiệp.

Dù vậy, mức "rẻ hơn 80 lần" mà nhóm nghiên cứu đưa ra chỉ phản ánh chênh lệch về chi phí nguyên liệu, không đồng nghĩa trực tiếp với giá thành toàn hệ thống. Với một hệ thống lưu trữ điện quy mô lưới, tổng chi phí còn bao gồm màng trao đổi ion, bơm, thiết bị chuyển đổi công suất và nhiều hạng mục hạ tầng khác.

Trong số đó, khả năng cắt giảm việc sử dụng màng trao đổi ion đắt tiền được xem là biến số then chốt đối với triển vọng thương mại hóa. Theo giới trong ngành, vẫn cần thêm dữ liệu để xác định liệu lợi thế về nguyên liệu có thực sự chuyển hóa thành lợi thế về giá hệ thống hay không.

Thị trường hiện theo dõi sát tiềm năng của pin dòng chảy toàn sắt trong bối cảnh nhu cầu lưu trữ năng lượng dài ngày ngày càng tăng. Hiện nay, phân khúc lưu trữ điện quy mô tiện ích vẫn do pin lithium sắt phosphate (LFP) dẫn dắt. Tuy nhiên, ở các ứng dụng cần tích điện trong nhiều ngày, tuổi thọ dài và chi phí vốn thấp có thể quan trọng hơn mật độ năng lượng.

Dẫu vậy, kết quả lần này vẫn mới dừng ở quy mô phòng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu chưa công bố kế hoạch xây dựng dây chuyền thử nghiệm pilot hay lộ trình thương mại hóa. Mốc hơn 6.000 chu kỳ cũng được xác nhận trên cell thử nghiệm trong phòng thí nghiệm; khi mở rộng lên hệ thống quy mô kilowatt hoặc megawatt, hiệu suất có thể thay đổi do các yếu tố như quản lý nhiệt, tình trạng bám bẩn màng và phân bố dòng điện.

Theo đánh giá của giới chuyên môn, các đợt thẩm định hiệu năng độc lập cùng kết quả vận hành của thiết bị trình diễn sẽ là yếu tố quyết định triển vọng thương mại hóa. Dù vậy, cấu trúc chi phí thấp của vật liệu nền sắt vẫn được xem là một lợi thế dài hạn có thể làm thay đổi cạnh tranh về giá trên thị trường lưu trữ điện quy mô lưới.