Một nhóm nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Kim loại, thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), đã đạt bước tiến mới trong công nghệ pin dòng chảy “hoàn toàn bằng sắt”.

Cụ thể, nhóm đã phát triển một công thức chất điện phân mới cho phép pin vận hành qua hàng nghìn chu kỳ sạc–xả, mở ra giải pháp lưu trữ năng lượng chi phí thấp nhưng độ bền cao – yếu tố then chốt trong bối cảnh nhu cầu lưu trữ điện quy mô lớn toàn cầu tăng mạnh.

Đáng chú ý, nghiên cứu này giải quyết được những vấn đề tồn tại lâu nay như suy giảm vật liệu và hiện tượng rò rỉ bằng cách tái thiết kế cấu trúc phức hợp sắt ở cấp độ phân tử.

Giải pháp thay thế rẻ hơn

Được biết chênh lệch giá nguyên liệu là động lực chính thúc đẩy hướng đi này, khi lithium hiện có giá cao gấp hơn 80 lần so với sắt. Khoảng cách lớn này khiến pin dựa trên sắt trở thành phương án khả thi để vượt qua tình trạng hạn chế nguồn cung đang kìm hãm quá trình chuyển dịch sang năng lượng xanh.

Giới chuyên gia kỳ vọng việc thay thế lithium đắt đỏ – vốn phụ thuộc nguồn cung hạn chế – bằng sắt, một nguyên tố dồi dào trong tự nhiên, có thể giúp bài toán lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lưới điện trở nên khả thi về mặt tài chính. Đây được xem là giải pháp chi phí thấp, dễ mở rộng nhằm ổn định nguồn điện khi năng lượng mặt trời và gió không sẵn có.

Pin dòng chảy toàn sắt vốn được đánh giá có tiềm năng lớn nhờ sử dụng nguyên liệu rẻ, dồi dào và chất điện phân gốc nước an toàn. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật – đặc biệt là sự bất ổn ở phía điện cực âm – đã khiến công nghệ này chậm thương mại hóa.

Trong các hệ thống trước đây, vật liệu hoạt tính dễ bị phân hủy và rò rỉ qua màng ngăn, làm giảm nhanh tuổi thọ pin và hạn chế khả năng ứng dụng thực tế.

Để vượt qua những trở ngại này, nhóm nghiên cứu Trung Quốc áp dụng thiết kế “phối hợp đa cơ chế” ở cấp độ phân tử, tạo ra một phức hợp sắt đóng vai trò như lớp bảo vệ kép.

Theo SCMP, phân tử này có cấu trúc cứng và cồng kềnh, giúp che chắn lõi sắt khỏi các tác động hóa học, đồng thời mang điện tích âm mạnh giúp đẩy các hạt có nguy cơ rò rỉ ra xa. Nhờ đó, vật liệu hoạt tính không bị phân hủy cũng như không xuyên qua màng ngăn, đảm bảo độ ổn định dài hạn cho hệ thống.

16 năm vận hành, không suy giảm

Nguyên mẫu pin cho thấy độ bền ấn tượng khi duy trì cấu trúc ổn định và khả năng đảo ngược hoàn hảo qua hơn 6.000 chu kỳ – tương đương hơn 16 năm vận hành hàng ngày – mà không mất dung lượng lưu trữ.

Trong suốt quá trình này, hệ thống không tạo ra sản phẩm phụ độc hại hay cặn lắng, đồng thời đạt hiệu suất chống rò rỉ 99,4%. Ngay cả khi hoạt động ở công suất cao, pin vẫn giữ được 78,5% hiệu suất năng lượng.

Theo báo cáo, thiết kế mới cũng vượt trội so với các hệ thống truyền thống khi giảm đáng kể hiện tượng rò rỉ vật liệu hoạt tính. Bước tiến này xuất hiện trong bối cảnh cuộc đua toàn cầu phát triển pin dòng chảy dựa trên sắt đang tăng tốc, khi công nghệ này ngày càng được xem là ứng viên thay thế khả thi nhất cho pin lithium-ion trong lưu trữ điện quy mô lớn.

Tuy vậy, một số thiết kế hiện tại vẫn đối mặt với rủi ro hình thành “dendrite” – các tinh thể dạng kim có thể gây đoản mạch pin. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc tuyên bố họ đã vượt qua rào cản này nhờ sử dụng môi trường hóa học kiềm kết hợp với “lá chắn” phân tử mới.