Pin dòng chảy – Flow battery là gì?

Pin dòng chảy – Flow battery là gì?

Pin dòng chảy – Flow battery là một tế bào điện hóa. Cụ thể, một tế bào điện (pin điện) khi nó khai thác sự khác biệt về năng lượng bởi hai thành phần hóa học hòa tan trong chất lỏng (chất điện phân) chứa trong hệ thống và được ngăn cách bởi một màng để lưu trữ hoặc giải phóng năng lượng.

Để tạo ra dòng điện, các ion được trao đổi giữa hai chất điện phân, điều này xảy ra qua màng trong khi cả hai chất lỏng (chất điện phân) lưu thông trong không gian riêng của chúng.

Các đặc điểm chính của pin dòng chảy:

• Sử dụng chất lỏng làm điện cực (electrode) thay vì kim loại rắn như pin thông thường. Các chất lỏng này được bơm qua một bộ trao đổi ion để tạo ra phản ứng oxi hóa khử.
• Các chất lỏng điện cực có thể được bổ sung và thay thế dễ dàng. Do đó dung lượng của pin có thể được mở rộng và nạp lại được.
• Công suất và điện áp có thể điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi lưu lượng và nồng độ chất lỏng.
• Quá trình sạc và xả không làm thay đổi cấu trúc vật lý của điện cực nên tuổi thọ cao, chu kỳ sạc/xả lên tới hàng ngàn lần.
• Khả năng lưu trữ năng lượng lớn, thích hợp cho các ứng dụng công suất lớn như lưu trữ năng lượng.

Nguyên lý hoạt động

Cấu trúc cơ bản của một pin dòng chảy bao gồm hai bể chứa dung dịch hoá học (thường là dung dịch điện phân) và một thiết bị gọi là cấu trúc tách cực (membrane) nằm giữa hai bể chứa. Khi cần cung cấp hoặc thu hồi năng lượng, dung dịch hoá học được lưu chuyển qua cấu trúc tách cực, tạo ra quá trình oxi-hoá và khử điện hóa.

Nguyên lý hoạt động của pin dòng chảy dựa trên quá trình oxi-hoá và khử điện hóa của dung dịch hoá học trong các bể chứa. Dưới đây là một phác thảo về nguyên lý hoạt động của pin dòng chảy, tương tự cách hoạt động của các pin điện hóa ở phần trao đôi ion:

Cấu trúc cơ bản

Một pin dòng chảy bao gồm hai bể chứa dung dịch hoá học và một cấu trúc tách cực (membrane) nằm giữa hai bể chứa. Cấu trúc tách cực thường là một lớp màng ion đàn hồi, cho phép di chuyển các ion qua lại giữa hai bể chứa, nhưng không cho phép dung dịch hoá học trực tiếp tiếp xúc.

Dung dịch hoá học

Mỗi bể chứa chứa một dung dịch hoá học, thường là các dung dịch điện phân, chứa các ion hoá học như ion kim loại. Một bể chứa chứa dung dịch khử, trong khi bể chứa kia chứa dung dịch oxi-hoá. Các dung dịch này có thể là axit, kiềm hoặc các dung dịch điện phân khác tùy thuộc vào loại pin dòng chảy cụ thể.

Quá trình hoạt động

Khi pin dòng chảy hoạt động, dung dịch hoá học oxi-hoá và khử di chuyển qua cấu trúc tách cực. Trong quá trình oxi-hoá, các ion từ dung dịch oxi-hoá di chuyển qua cấu trúc tách cực và tạo ra dòng điện. Cùng lúc đó, các ion khử từ dung dịch khử di chuyển qua cấu trúc tách cực theo hướng ngược lại. Quá trình này tạo ra một luồng dòng điện liên tục trong quá trình hoạt động của pin.

Tái nạp

Khi dung dịch hoá học trong một bể chứa đã hết năng lượng, nó có thể được thay thế bằng dung dịch mới. Quá trình tái nạp pin dòng chảy bao gồm thay thế dung dịch hoá học trong các bể chứa bằng các bể chứa mới được nạp đầy.

Video về quá trình sạc – xả của pin dòng chảy quy mô nhỏ trong thử nghiệm

Quá trình sạc pin

Quá trình xả pin

Ưu và nhược điểm của pin lỏng

Ưu điểm của pin dòng chảy:

Dung lượng lưu trữ linh hoạt: Pin dòng chảy có khả năng lưu trữ năng lượng lớn và khả năng mở rộng dung lượng lưu trữ bằng cách thay đổi dung tích bể chứa. Điều này cho phép điều chỉnh dung lượng lưu trữ năng lượng theo nhu cầu cụ thể của ứng dụng.

Tuổi thọ lâu dài: Pin dòng chảy có tuổi thọ lâu hơn so với nhiều loại pin truyền thống khác. Do không có quá trình hóa học tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực và dung dịch, không có quá trình mòn nhanh của các thành phần pin. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của pin và giảm nhu cầu thay thế.

Tái nạp nhanh: Pin dòng chảy có khả năng tái nạp nhanh. Việc thay thế dung dịch hoá học trong các bể chứa có thể được thực hiện một cách nhanh chóng, cho phép pin sẵn sàng sử dụng trong thời gian ngắn.

Tính an toàn: Pin dòng chảy thường không chứa các chất độc hại và không gây nguy hiểm cho môi trường. Dung dịch hoá học trong pin thường là axit hoặc kiềm phổ biến, không gây nguy hiểm nếu tiếp xúc với môi trường hoặc người dùng.

Nhược điểm của pin dòng chảy:

Kích thước lớn: Pin dòng chảy có kích thước lớn và yêu cầu không gian lắp đặt rộng hơn so với các loại pin truyền thống. Điều này làm cho chúng không phù hợp cho các ứng dụng có hạn chế không gian hoặc di động.

Hiệu suất không cao: Pin dòng chảy có hiệu suất không cao hơn so với một số loại pin truyền thống khác. Quá trình chuyển đổi năng lượng trong pin dòng chảy có thể dẫn đến mất điện và mất năng lượng. Tuy nhiên, các nỗ lực đang được tiến hành để cải thiện hiệu suất của pin dòng chảy.

Chi phí cao: Pin dòng chảy có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với các loại pin truyền thống. Điều này là do kích thước lớn, vật liệu đặc biệt và công nghệ phức tạp được sử dụng trong pin dòng chảy. Tuy nhiên, chi phí này có thể được bù đắp bởi tuổi thọ lâu dài và khả năng tái nạp của pin.

Tính ứng dụng thực tiễn pin dòng chảy

Lưu trữ năng lượng tái tạo ở quy mô lưới điện, như năng lượng mặt trời và gió, do có thể chứa một lượng lớn năng lượng trong một bể chứa khổng lồ với chi phí tương đối thấp.

Các cục pin lithium-ion lớn như công trình Tesla ở Nam Úc có chi phí lắp ráp cao, vì vậy pin dòng oxy hóa khử có thể là một giải pháp thay thế rẻ hơn. Pin này có thể lưu trữ năng lượng trong vài tháng một lần và sử dụng chất điện phân lỏng trong các thùng lớn. Tuy nhiên, một vấn đề với các pin oxy hóa khử vanadi là sự xâm nhập dễ dàng của ion vanadi vào màng, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin.

Nhà nghiên cứu từ Học viện Khoa học Trung Quốc đã tìm cách giải quyết vấn đề này bằng cách tinh chỉnh màng thông qua vật liệu lai. Họ sử dụng các hạt nano trioxide vonfram phát triển trên bề mặt của tấm graphene oxit. Các tấm này được nhúng trong một loại màng mới có cấu trúc bánh sandwich và được gia cố bằng một lớp PTFE mỏng. Tấm graphene oxit làm rào cản để ngăn chặn sự thẩm thấu của ion vanadi, trong khi các hạt nano tạo điều kiện cho quá trình vận chuyển proton, tăng hiệu suất Coulomb và hiệu suất năng lượng lên trên 98,1% và 88,9% tương ứng.

Các nhà nghiên cứu cho biết màng lai này không chỉ vượt trội hơn các màng thương mại hiện có về hiệu suất, mà còn giải quyết được vấn đề ổn định. Họ tin rằng màng này có tiềm năng không chỉ trong lĩnh vực pin dòng oxi hóa khử vanadi mà còn trong công nghệ pin nhiên liệu và lọc nước, sử dụng các màng tinh chỉnh để cho phép sự chọn lọc của ion và tận dụng thiết kế tốt.

Ở quy mô lớn, pin lưu lượng rẻ hơn so với các loại pin khác trong suốt thời gian tồn tại của chúng.

Nguồn tham khảo: Organic mega flow battery promises breakthrough for renewable energy (harvard.edu)