Ngày nay, pin lithium-ion đã được tích hợp vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nhưng hàm lượng lithium trong lớp vỏ trái đất thấp, vì vậy việc tìm kiếm các nguyên tố có thể thay thế lithium để điều chế pin sạc thứ cấp hiệu suất cao là rất cấp bách. Là chất thay thế cho liti, nhôm có nhiều trong vỏ trái đất, nhưng tính chất hóa học của nó rất hoạt động, dễ tạo thành lớp oxit dày đặc, đồng thời cũng dễ bị sợi nhánh nhôm làm điện cực âm, dẫn đến đoản mạch của pin, vì vậy rất khó để thực hiện công nghiệp hóa.
Gần đây, trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí "Nature", để phát triển pin nhôm hiệu suất cao không có đuôi gai, các nhà nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh, Viện Công nghệ Massachusetts và các tổ chức khác đã cùng nhau phát triển một loại clorua vô cơ (Chất điện phân muối nóng chảy có điểm nóng chảy thấp bao gồm natri clorua-kali clorua-nhôm clorua) thay thế cho chất điện phân lỏng ion đang được sử dụng phổ biến hiện nay.
Được biết, điện cực nhôm trong chất điện phân natri clorua-kali clorua-nhôm clorua có các đặc tính chống tăng trưởng đuôi gai và bề mặt điện cực có bề mặt cắt rõ ràng không có đuôi gai sắc nhọn. Nghiên cứu này cung cấp những ý tưởng mới cho sự phát triển của pin nhôm trong tương lai.
So với pin lithium, nó có nhiều ưu điểm
Pin nhôm sử dụng nhôm kim loại làm điện cực âm, muối nóng chảy dựa trên chloroaluminate hoặc chất lỏng ion làm chất điện phân, quá trình lắng đọng/tước nhôm xảy ra trên điện cực âm và phản ứng chèn/chiết xuất hoặc chuyển đổi ion chloroaluminate hoặc ion nhôm xảy ra trên điện cực dương . Một pin để lưu trữ và phát hành điện tích.
"Pin nhôm có ưu điểm là dung lượng pin cao, độ an toàn cao và tuổi thọ lâu dài." Wang Wei, giáo sư và giám sát viên tiến sĩ của Trường Luyện kim và Kỹ thuật Sinh thái, Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh, cho biết so với pin lithium truyền thống, pin nhôm có nhiều ưu điểm hơn, vì công suất khối lượng riêng theo lý thuyết của nhôm là 2,98 amp- giờ/g, chỉ đứng sau lithium; công suất riêng theo thể tích lý thuyết là 8,05 amp-giờ/cm3, đứng đầu trong số tất cả các kim loại, do đó dung lượng pin của pin nhôm có giới hạn trên Lý thuyết rất cao và do kim loại cực dương của pin nhôm có đặc tính ổn định và chất điện phân là không bắt lửa, pin nhôm sẽ không cháy, nổ và các hiện tượng nguy hiểm khác ngay cả khi nó bị thủng và đoản mạch.
Vào năm 2015, nhóm nghiên cứu của Wang Wei đã phát triển một loại pin nhôm không chứa nước mới với chất lỏng ion ở nhiệt độ phòng làm chất điện phân, than chì làm điện cực dương và nhôm làm điện cực âm. Hệ thống pin này có điện áp xả lên đến 2 V, đồng thời có hiệu suất tốc độ và độ ổn định chu kỳ tuyệt vời, cho thấy tiềm năng thực tế lớn. Kể từ đó, pin nhôm không chứa nước đã dần trở thành điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng trên toàn thế giới.
Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu tiếp theo, các nhà nghiên cứu có liên quan đã phát hiện ra rằng do tính axit cực mạnh của chất điện phân lỏng ion, vật liệu catốt dung lượng cao hòa tan trong chất điện phân thường gặp vấn đề về tuổi thọ ngắn. Hấp thụ nước, ổn định không khí kém và dễ phân hủy, vì vậy việc phát triển chất điện phân đã trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng đối với pin nhôm không chứa nước.
"Nghiên cứu mới nhất này, bằng cách sử dụng chất điện phân muối nóng chảy clorua vô cơ có độ nóng chảy thấp, đã thay thế thành công chất điện phân lỏng ion đang được sử dụng phổ biến hiện nay và đạt được hoạt động tốc độ cao, phân cực điện áp thấp và hiệu suất năng lượng cao của pin nhôm." Wang Wei cho biết do tính ổn định nhiệt cao và không bắt lửa của chất điện phân muối nóng chảy có điểm nóng chảy thấp, vấn đề an toàn của các hệ thống tích hợp quy mô lớn đã được giải quyết. Ông nói: “Từ sự phát triển của chất điện phân lỏng ion ở nhiệt độ phòng cho đến việc xây dựng một loạt hệ thống pin nhôm dung lượng cao, điện áp cao, một số lượng lớn kết quả nghiên cứu đã thúc đẩy ứng dụng thực tế của pin nhôm không chứa nước”.
Ắc quy nhôm vẫn có hiện tượng "bay trong thuốc mỡ"
Mặc dù pin nhôm có triển vọng ứng dụng tốt và đã tạo ra những bước đột phá đáng kể trong những năm gần đây, nhưng những nhược điểm của chúng, chẳng hạn như động học phản ứng không đủ, mật độ năng lượng thấp và suy giảm công suất nghiêm trọng trong một số hệ thống, vẫn cần được cải thiện.
Được biết, trong hệ thống pin nhôm sử dụng chất điện phân lỏng ion, vật liệu than chì dựa trên cơ chế phản ứng xen kẽ/khử xen kẽ có khả năng đảo ngược hạn chế, điều này sẽ dẫn đến mật độ năng lượng tổng thể của pin thấp; Vật liệu catốt như lưu huỳnh dựa trên cơ chế phản ứng chuyển đổi, Hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn, nó thể hiện các đặc tính của công suất riêng cao, nhưng nó có nhược điểm là động học phản ứng pin chậm, phân cực điện áp phóng điện lớn, tốc độ phóng điện kém hiệu suất và vòng đời ngắn, điều này sẽ làm giảm đáng kể pin. hiệu suất năng lượng.
"Vật liệu cực âm của pin nhôm-ion không chứa nước có thể sạc lại thường phải đối mặt với các vấn đề về độ dẫn điện thấp và sự phân hủy cấu trúc." Wang Wei giới thiệu rằng sự thay đổi thể tích của vật liệu nhúng trong quá trình chu kỳ, ngoài việc làm suy giảm độ dẫn điện của vật liệu, Nó còn dẫn đến hiện tượng sưng và phân hủy các điện cực, nghiền thành bột các vật liệu hoạt động, v.v. Ngoài ra, kim loại chuyển tiếp xen kẽ các hợp chất vẫn có vấn đề về điện áp xả thấp, dung lượng thấp và suy giảm dung lượng nhanh, nghiêm trọng hơn nhiều so với pin Li-ion. Các vật liệu chuyển đổi thường phải đối mặt với các vấn đề về phản ứng không thể đảo ngược và hiệu suất coulomb thấp (tỷ lệ phần trăm điện tích được giải phóng trong quá trình xả pin so với số điện tích đầu vào trong quá trình sạc trong các điều kiện nhất định) và khả năng xả của pin thấp trong vài chu kỳ đầu tiên. Sau khi giảm mạnh, nó cho thấy công suất giảm nhanh và độ ổn định chu kỳ kém.
Đồng thời, nhôm làm vật liệu điện cực âm có một lớp thụ động trên bề mặt điện cực, lớp này sẽ làm giảm điện áp và hiệu suất của pin; nhôm bị ăn mòn nghiêm trọng cũng sẽ dẫn đến tiêu thụ nhôm không thể đảo ngược, do đó làm giảm tỷ lệ sử dụng điện cực nhôm; và trong quá trình chu trình. Sự phát triển của sợi nhánh nhôm cũng sẽ làm giảm độ an toàn và vòng đời của pin.
Theo Wang Wei, một số trở ngại hiện nay đối với việc thương mại hóa pin nhôm-ion không chứa nước có thể sạc lại cũng bao gồm việc thiếu các bộ thu dòng chống ăn mòn, rẻ tiền và chất kết dính không thể phân hủy có thể hoạt động ổn định trong chất điện phân dựa trên AlCl3 có tính axit. "Hiện tại, ngoại trừ các vật liệu đắt tiền như carbon thủy tinh, tantali, bạch kim, v.v., có rất ít vật liệu ổn định và rẻ tiền có thể được sử dụng làm chất thu gom hiện tại." Ông nói rằng trong pin nhôm-ion có thể sạc lại không chứa nước, vai trò của chất kết dính đã bị bỏ qua. , do đó, có ít nghiên cứu hơn về việc cải thiện hiệu suất của pin thông qua việc sửa đổi hệ thống chất kết dính hiện có và phát triển chất kết dính mới.
Pin nhôm có triển vọng ứng dụng thực tế
Điều này được hiểu rằng công nghệ lưu trữ năng lượng được kết nối chặt chẽ với các ứng dụng năng lượng mới và sự phát triển của lưới điện, có thể cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và giải quyết các vấn đề như cung cấp điện ở vùng sâu vùng xa. Do đó, công nghệ lưu trữ năng lượng là một mắt xích quan trọng không thể tránh khỏi trong quá trình phát triển năng lượng mới. Những người trong ngành tin rằng tương lai của pin lưu trữ năng lượng nên thuộc về ngành năng lượng gió và quang điện tử, đặc biệt là ngành năng lượng gió đã được triển khai với số lượng lớn. Mặc dù ngành công nghiệp điện gió đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, nhưng nó đã bị ảnh hưởng bởi sự tích hợp lưới điện do sự không ổn định của tài nguyên gió.
Ưu điểm của pin nhôm là độ an toàn cao, ổn định tốt và hiệu suất nhiệt độ rộng tuyệt vời. Do đó, Wang Wei tin rằng pin nhôm sẽ không thể tách rời khỏi hệ thống lưu trữ năng lượng, thiết bị đặc biệt và các ngành công nghiệp khác trong tương lai.
"Thị trường thiết bị lưu trữ năng lượng ngày nay vẫn duy trì tốc độ phát triển nhanh chóng." Wang Wei cho biết đến năm 2025, quy mô thị trường lưu trữ năng lượng điện hóa của Trung Quốc sẽ đạt 28,6 GW và thị phần sẽ đạt 128,7 tỷ nhân dân tệ. Quy mô thị trường có tiềm năng thị trường cấp nghìn tỷ.
Do đặc điểm của thời gian xây dựng ngắn, chi phí vận hành thấp và không ảnh hưởng đến môi trường, công nghệ lưu trữ năng lượng điện hóa đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho ứng dụng lưới điện của công nghệ lưu trữ năng lượng để giải quyết vấn đề tiếp cận năng lượng mới. Hiện tại, pin lithium-ion chiếm ưu thế trong công nghệ lưu trữ năng lượng điện hóa do mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, chi phí cao, nguồn lithium hạn chế và các vấn đề an toàn đã hạn chế rất nhiều ứng dụng lưu trữ năng lượng quy mô lớn của nó.
Do chi phí cực dương nhôm thấp, hàm lượng các nguyên tố lớp vỏ cao và dung lượng riêng cao, pin nhôm được coi là loại pin đầy hứa hẹn cho các ứng dụng thực tế ngoài pin lithium-ion. Quan trọng hơn, hệ thống pin nhôm có độ an toàn cao và pin nhôm mới sẽ giải quyết vấn đề an toàn hệ thống tích hợp quy mô lớn sau khi được đưa vào sản xuất.
Wang Wei cho biết, trong tương lai dưới nền tảng "carbon kép", các tiêu chuẩn pin lưu trữ năng lượng cần chú ý nhiều hơn đến việc cải thiện các lợi ích về môi trường, năng lượng và tài nguyên, xây dựng khung tiêu chuẩn cho phát triển tuần hoàn xanh và carbon thấp, đồng thời tuân theo nguyên tắc lập trước phá sau, chủ động tiến công có trật tự. . Đồng thời, coi trọng hợp tác quốc tế, làm tốt công tác điều phối các quy tắc, xem xét đầy đủ các điều kiện quốc gia và giai đoạn phát triển của các quốc gia khác nhau, tối đa hóa sự thừa nhận lẫn nhau về các quy tắc kế toán và hệ thống kế toán, cùng nhau thúc đẩy môi trường xanh và ít carbon. phát triển.