Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã thiết kế một loại pin natri nóng chảy mới để lưu trữ năng lượng trên quy mô lưới điện. Pin natri nóng chảy đã được sử dụng trong nhiều năm để lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo, chẳng hạn như tấm pin mặt trời và tuabin gió. Tuy nhiên, pin natri nóng chảy bán sẵn trên thị trường, được gọi là pin natri-lưu huỳnh, thường hoạt động ở nhiệt độ 520-660 độ F. Thay vào đó, pin natri-iodua nóng chảy mới của Sandia hoạt động ở nhiệt độ 230 độ F.
Leo Small, trưởng nhóm nghiên cứu của dự án cho biết: “Chúng tôi đang làm việc để giảm nhiệt độ hoạt động của pin natri nóng chảy xuống thấp nhất có thể. “Có một khoản tiết kiệm toàn bộ chi phí đi kèm với việc giảm nhiệt độ pin. Bạn có thể sử dụng các vật liệu ít tốn kém hơn. Pin cần ít cách điện hơn và hệ thống dây kết nối tất cả các pin có thể mỏng hơn rất nhiều ”.
Tuy nhiên, pin hóa học hoạt động ở 550 độ không hoạt động ở 230 độ, ông nói thêm. Trong số những cải tiến lớn cho phép nhiệt độ hoạt động thấp hơn này là sự phát triển của cái mà ông gọi là catholyte. Catholyte là một hỗn hợp lỏng của hai muối, trong trường hợp này là natri iotua và gali clorua.
Kiến thức cơ bản về việc chế tạo pin tốt hơn
Một loại pin axit-chì cơ bản, thường được sử dụng làm pin đánh lửa ô tô, có một tấm chì và một tấm điôxít chì với chất điện phân axit sunfuric ở giữa. Khi năng lượng được thải ra khỏi pin, tấm chì phản ứng với axit sulfuric để tạo thành chì sunfat và các electron. Các điện tử này khởi động xe và quay trở lại phía bên kia của pin, nơi tấm chì điôxít sử dụng các điện tử và axit sunfuric để tạo thành chì sunfat và nước. Đối với pin natri nóng chảy mới, tấm chì được thay thế bằng kim loại natri lỏng và tấm chì điôxít được thay thế bằng hỗn hợp lỏng của natri iodua và một lượng nhỏ gali clorua, Erik Spoerke, một nhà khoa học vật liệu đang làm việc cho biết trên pin natri nóng chảy trong hơn một thập kỷ.
Khi năng lượng được phóng ra từ pin mới, kim loại natri tạo ra các ion natri và các electron. Mặt khác, các electron biến iot thành ion iotua. Các ion natri di chuyển qua một dải phân cách sang phía bên kia nơi chúng phản ứng với các ion iodua để tạo thành muối natri iodua nóng chảy. Thay vì một chất điện phân axit sulfuric, giữa pin là một bộ tách gốm đặc biệt chỉ cho phép các ion natri di chuyển từ bên này sang bên kia, không có gì khác.
Spoerke cho biết: “Trong hệ thống của chúng tôi, không giống như pin lithium ion, mọi thứ đều ở dạng lỏng. “Điều đó có nghĩa là chúng tôi không phải đối phó với các vấn đề như vật liệu trải qua các giai đoạn thay đổi phức tạp hoặc rơi vỡ; tất cả đều là chất lỏng. Về cơ bản, những loại pin làm từ chất lỏng này không có tuổi thọ giới hạn như nhiều loại pin khác ”.
Trên thực tế, pin natri nóng chảy thương mại có tuổi thọ từ 10 đến 15 năm, lâu hơn đáng kể so với pin axit-chì tiêu chuẩn hoặc pin lithium ion.
Pin lâu dài an toàn hơn
Pin natri-i-ốt nhỏ, quy mô phòng thí nghiệm của Sandia đã được thử nghiệm trong tám tháng bên trong lò nướng. Martha Gross, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ, người đã làm việc trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trong hai năm qua, đã thực hiện các thí nghiệm sạc và xả pin hơn 400 lần trong tám tháng đó.
Vì đại dịch COVID-19, họ đã phải tạm dừng thí nghiệm trong một tháng và để natri nóng chảy và catholyte nguội xuống nhiệt độ phòng và đóng băng, cô nói. Gross hài lòng rằng sau khi làm ấm pin lên, nó vẫn hoạt động.
Điều này có nghĩa là nếu xảy ra sự cố gián đoạn năng lượng quy mô lớn, giống như những gì đã xảy ra ở Texas vào tháng Hai, pin natri-iodua có thể được sử dụng, và sau đó được để nguội cho đến khi đông cứng. Sau khi hết gián đoạn, chúng có thể được làm ấm, sạc lại và trở lại hoạt động bình thường mà không cần quá trình khởi động kéo dài hoặc tốn kém và không làm suy giảm chất hóa học bên trong của pin, Spoerke nói thêm.
Pin natri-iodua cũng an toàn hơn. Spoerke cho biết, “Pin lithium ion bốc cháy khi có lỗi bên trong pin, dẫn đến pin quá nóng. Chúng tôi đã chứng minh điều đó không thể xảy ra với hóa học pin của chúng tôi. Pin của chúng tôi, nếu bạn lấy bộ tách sứ ra và để kim loại natri trộn với muối, thì sẽ không có gì xảy ra. Chắc chắn, pin ngừng hoạt động, nhưng không có phản ứng hóa học bạo lực hoặc cháy nổ. ”
Nếu ngọn lửa bên ngoài nhấn chìm pin natri-iốt, có khả năng pin sẽ bị nứt và hỏng, nhưng nó không nên đổ thêm dầu vào lửa hoặc gây cháy natri, Small nói thêm.
Ngoài ra, ở mức 3.6 volt, pin natri-iotua mới có hiệu suất hoạt động cao hơn 40% Vôn hơn một pin natri nóng chảy thương mại. Điện áp này dẫn đến mật độ năng lượng cao hơn, và điều đó có nghĩa là pin tiềm năng trong tương lai được sản xuất bằng hóa học này sẽ cần ít tế bào hơn, ít kết nối giữa các tế bào hơn và chi phí đơn vị tổng thể thấp hơn để lưu trữ cùng một lượng điện, Small nói.
“Chúng tôi thực sự vui mừng về việc chúng tôi có thể nhồi nhét bao nhiêu năng lượng vào hệ thống vì catholyte mới mà chúng tôi đang báo cáo trong bài báo này,” Gross nói thêm. “Pin natri nóng chảy đã tồn tại trong nhiều thập kỷ và chúng ở khắp nơi trên thế giới, nhưng không ai nói về chúng. Vì vậy, có thể giảm nhiệt độ và quay lại với một số con số và nói, 'đây là một hệ thống thực sự, thực sự khả thi' là khá gọn gàng. "
Tương lai của pin natri-iodua
Bước tiếp theo của dự án pin natri-iốt là tiếp tục điều chỉnh và tinh chỉnh hóa chất catholyte để thay thế thành phần gali clorua, Small nói. Gali clorua rất đắt, đắt gấp 100 lần muối ăn.
Nhóm cũng đang nghiên cứu các chỉnh sửa kỹ thuật khác nhau để sạc và xả pin nhanh hơn và đầy đủ hơn, Spoerke nói thêm. Một sửa đổi đã được xác định trước đây để tăng tốc độ sạc pin là phủ một lớp mỏng thiếc bên natri nóng chảy của bộ tách sứ.
Spoerke nói thêm rằng có thể sẽ mất từ 10 đến XNUMX năm để đưa pin natri-iodua ra thị trường, với hầu hết các thách thức còn lại là thách thức thương mại hóa, thay vì thách thức kỹ thuật.
Spoerke cho biết: “Đây là minh chứng đầu tiên về chu trình hoạt động lâu dài, ổn định của pin natri nóng chảy ở nhiệt độ thấp. “Điều kỳ diệu của những gì chúng tôi đã tổng hợp lại là chúng tôi đã xác định được hóa học muối và điện hóa học cho phép chúng tôi hoạt động hiệu quả ở 230 độ F. Cấu hình natri-iotua ở nhiệt độ thấp này là một sự phát minh lại ý nghĩa của việc có một pin natri nóng chảy. "
Việc phát triển pin natri mới được hỗ trợ bởi Văn phòng Bộ Năng lượng Điện Chương trình lưu trữ năng lượng.