Các kỹ sư của RMIT cho biết họ đã tăng gấp ba lần mật độ năng lượng của pin dòng proton tái chế, giá rẻ, có thể sạc lại, hiện có thể thách thức pin lithium-ion bán trên thị trường về công suất với mật độ năng lượng cụ thể là 245 Wh/kg.
Con số này so với ~260-odd Wh/kg được cung cấp bởi pin lithium-ion trong bộ pin Tesla Model 3 hiện tại, nhưng không sử dụng bất kỳ loại lithium nào, do đó tránh được sự siết chặt lithium như dự báo, cũng như sự phụ thuộc nhạy cảm về mặt địa chính trị vào Trung Quốc trong chuỗi cung ứng pin và tất cả các vấn đề về tuổi thọ pin .
Chúng tôi đã đề cập đến công việc của nhóm cụ thể này trước đây, từ năm 2014, khi bằng chứng đầu tiên về khái niệm pin dòng proton dựa trên hydro được công bố .
Về cơ bản, đó là một cách khác để sử dụng hydro để lưu trữ năng lượng. Pin proton hoạt động giống như pin nhiên liệu có thể đảo ngược, nhận nước trong khi sạc, tách các ion hydro tích điện dương và giải phóng oxy.
Sơ đồ bên trong của pin proton
Tại thời điểm này, hầu hết các hệ thống hydro cho phép các ion này kết hợp thành khí H2, sau đó tiêu tốn năng lượng để nén nó, làm lạnh siêu tốc để hóa lỏng hoặc xử lý thêm thành amoniac. Thay vào đó, pin proton lưu trữ các proton hydro một cách trực tiếp và ngay lập tức, trong các lỗ trên điện cực than hoạt tính rắn, xốp được ngâm trong axit loãng. Xả pin là việc bổ sung oxy và năng lượng được giải phóng khi nước được tạo ra.
Trong bài báo mới nhất của mình, các nhà nghiên cứu RMIT đã xem xét các nguyên tắc cơ bản về cách thức hoạt động của pin proton – chủ yếu dựa trên các phản ứng phía oxy – để xây dựng và thử nghiệm một số ý tưởng xung quanh cách thức cải thiện pin. Theo bài báo, những ý tưởng này bao gồm sấy chân không bột than hoạt tính trước khi chuẩn bị điện cực, để loại bỏ nước trong vật liệu, làm nóng nhẹ toàn bộ tế bào đến 70°C trong quá trình vận hành và thay thế phía oxy. lớp khuếch tán khí (GDL) với tấm sợi GDL mỏng hơn nhiều.
Họ nói rằng lợi ích là rất lớn, dẫn đến pin proton có khả năng lưu trữ năng lượng trên mỗi trọng lượng gần gấp ba lần so với pin cuối cùng của họ – và “nhiều hơn gấp đôi mức lưu trữ hydro điện hóa cao nhất sử dụng chất điện phân có tính axit được báo cáo trước đây trong tài liệu. ” Với mật độ 882 joules mỗi gram, nó gần tương đương với 245 Wh/kg, ngang bằng với các loại pin lithium thương mại tốt hiện có trên thị trường.
Tiến sĩ Shahin Heidari (trái), Giáo sư John Andrews và Tiến sĩ Seyed Niya với màn trình diễn pin proton vận hành hai quạt nhỏ trong phòng thí nghiệm RMIT
Vậy ưu điểm của pin proton khi nó được đưa vào sử dụng trên thị trường là gì? Chà, đó là một cách rất an toàn và ổn định để vận chuyển hydro, trái ngược với khí áp suất cao, chất lỏng đông lạnh sôi liên tục hoặc amoniac có tính ăn da cao. Nó sẽ tồn tại trong một thời gian dài và sạc nhanh.
Nó sẽ tương đối rẻ, vì bạn không cần lithium hoặc bất kỳ kim loại kỳ lạ nào khác, và nó có thể được chế tạo bằng những vật liệu dồi dào và chế tạo rẻ tiền. Nó cũng sẽ có thể tái chế 100%.
Trưởng nhóm nghiên cứu và Giáo sư John Andrews của RMIT cho biết: “Pin của chúng tôi có khối lượng năng lượng trên mỗi đơn vị có thể so sánh với pin lithium-ion có bán trên thị trường, đồng thời an toàn hơn và tốt hơn cho hành tinh trong việc sử dụng ít tài nguyên hơn từ lòng đất”. trong một thông cáo báo chí.
Ông tiếp tục: “Pin của chúng tôi cũng có khả năng sạc rất nhanh. Nguồn tài nguyên chính được sử dụng trong pin proton của chúng tôi là carbon, rất dồi dào, có sẵn ở tất cả các quốc gia và rẻ so với tài nguyên cần thiết cho các loại pin sạc khác như như lithium, coban và vanadi. Cũng không có thách thức nào về môi trường khi hết tuổi thọ của pin proton, vì tất cả các thành phần và vật liệu đều có thể được phục hồi, tái sử dụng hoặc tái chế.”
Hiệu suất khứ hồi là một vấn đề nhất định đối với hầu hết các hệ truyền động hydro, trong đó năng lượng bị lãng phí một cách hiệu quả trong quá trình điện phân, nén/làm mát, lưu trữ và tại pin nhiên liệu khi chuyển hydro trở lại thành điện năng. Nhưng điều đó dường như không xảy ra ở đây. Andrews cho biết: “Pin proton của chúng tôi có mức tổn thất thấp hơn nhiều so với hệ thống hydro thông thường, khiến nó có thể so sánh trực tiếp với pin lithium-ion về hiệu quả năng lượng”.
Ông giải thích rõ hơn trong một email: “Chúng tôi đang nhắm mục tiêu đạt hiệu quả sử dụng năng lượng khứ hồi trên 75% ở giai đoạn này. Đúng, điều này sẽ phụ thuộc vào thời gian tùy thuộc vào tốc độ tự xả, nhưng chúng tôi hy vọng điều này có thể được giảm thiểu bằng thiết kế tối ưu. Như bạn sẽ biết, điều này có thể so sánh với pin lithium ion và lớn hơn nhiều so với hệ thống điện phân/lưu trữ khí H2/pin nhiên liệu thông thường (<45%).”
Tiến sĩ Shahin Heidari (trái) và Tiến sĩ Seyed Niya, thích thú tạo dáng chụp ảnh báo chí với đồng hồ vạn năng và nguyên mẫu của họ
Vẫn còn nhiều việc phải làm về thiết kế hệ thống tổng thể. Ông tiếp tục: “Năng lượng riêng dựa trên khối lượng điện cực được trích dẫn trong bài báo của chúng tôi là 245 Wh/kg, nhưng con số này giảm xuống khi tính đến khối lượng của các thành phần pin khác, mặc dù có nhiều cơ hội để giữ cho chúng rất nhẹ. Chúng tôi cũng hy vọng sẽ nâng cao con số này bằng cách tối ưu hóa thiết kế và vận hành tế bào tổng thể.”
Tuy nhiên, nó có vẻ giống một đối thủ cạnh tranh về pin hơn là đối thủ cạnh tranh với pin nhiên liệu. Trong các ứng dụng như hàng không, nơi trọng lượng là ưu tiên hàng đầu, hydro dạng khí và lỏng vẫn sẽ mang năng lượng nhiều hơn gấp nhiều lần trên mỗi kg trọng lượng của hệ thống.
Tuy nhiên, đội nghiên cứu đang tiến tới thương mại hóa pin proton. Andrews cho biết: “Chúng tôi mong muốn phát triển công nghệ này hơn nữa ở Melbourne và Ý, hợp tác với Eldor Corporation, để sản xuất một mẫu pin có dung lượng lưu trữ đáp ứng nhu cầu của một loạt ứng dụng trong nước và thương mại”. “Mục đích của sự hợp tác này là mở rộng quy mô hệ thống từ watt lên kilowatt và cuối cùng là quy mô megawatt.”