Một nhóm nhà khoa học tại Trung Quốc mới đây cho biết đã phát triển thành công một loại pin nước thế hệ mới có tuổi thọ dài, an toàn hơn đáng kể so với pin truyền thống và thậm chí có thể được thải bỏ trực tiếp ra môi trường mà không gây độc hại. Theo các nhà nghiên cứu, công nghệ này có thể mở ra hướng đi mới cho ngành lưu trữ năng lượng quy mô lớn trong tương lai.

Điểm đáng chú ý nhất của loại pin mới là khả năng hoạt động bền bỉ vượt xa các dòng pin hiện nay. Nhóm nghiên cứu cho biết pin có thể chịu được tới 120.000 chu kỳ sạc với hiệu suất cao gấp 10 lần tuổi thọ của các loại pin lithium-ion đang được sử dụng phổ biến trong các hệ thống lưu trữ điện lưới.

Với tần suất vận hành trung bình khoảng 1,1 chu kỳ sạc mỗi ngày của các hệ thống lưu trữ điện hiện nay, loại pin này về lý thuyết có thể hoạt động liên tục trong khoảng 300 năm trước khi cần thay thế. Nếu được ứng dụng thực tế ở quy mô lớn, tuổi thọ này thậm chí có thể kéo dài tới tận thế kỷ 24.

Không chỉ bền hơn, loại pin mới còn được đánh giá là an toàn và thân thiện với môi trường hơn đáng kể so với nhiều công nghệ pin hiện nay.

Pin nước từ lâu đã được xem là giải pháp lưu trữ năng lượng tiềm năng nhờ ưu điểm không dễ cháy nổ và chi phí sản xuất thấp hơn. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn tồn tại nhiều hạn chế như khả năng lưu trữ năng lượng thấp, tuổi thọ ngắn và nguy cơ ăn mòn các bộ phận bên trong pin theo thời gian.

Một trong những nguyên nhân chính khiến pin nước nhanh xuống cấp là môi trường hóa học khắc nghiệt bên trong pin. Các chất điện phân trong nhiều thiết kế trước đây thường có tính axit hoặc kiềm rất mạnh, dễ tạo ra khí hydro và oxy trong quá trình hoạt động. Hiện tượng này không chỉ làm giảm tuổi thọ pin mà còn có thể gây cháy nổ trong những trường hợp cực đoan.

Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications, nhóm nghiên cứu đã khắc phục những vấn đề này bằng cách phát triển một loại vật liệu mới dựa trên các polyme hữu cơ cộng hóa trị tổng hợp, còn gọi là COPs.

Đây là các cấu trúc phân tử hữu cơ bền vững được tạo thành từ những nguyên tố như carbon và nitơ, liên kết với nhau theo dạng mạng lưới ổn định với nhiều khoảng trống nhỏ cho phép ion di chuyển hiệu quả.

Trong thiết kế mới, vật liệu COP được sử dụng làm cực âm cho các ion magie và canxi. Trước đây, các polyme hữu cơ dạng này ít được ứng dụng trong pin nước vì chúng thường bị phân hủy nhanh khi tiếp xúc với chất điện phân.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu lần này đã tìm ra một hợp chất đặc biệt mang tên hexaketone-tetraaminodibenzo-p-dioxin. Hợp chất này sở hữu cấu trúc dạng tổ ong phẳng và ổn định, giúp tăng khả năng thu hút ion dương đồng thời hạn chế sự ăn mòn của chất điện phân.

Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng sử dụng chất điện phân trung tính có độ pH 7 thay vì môi trường axit hoặc kiềm mạnh như trước đây. Nhờ vậy, pin vẫn duy trì khả năng dẫn truyền ion hiệu quả nhưng giảm đáng kể nguy cơ phá hủy vật liệu bên trong.

Theo nhóm nghiên cứu, chất điện phân trong loại pin mới an toàn đến mức có thể sử dụng như dung dịch nước muối trong quá trình làm đậu phụ, cho thấy mức độ độc hại gần như không đáng kể. Điều này đồng nghĩa pin sau khi hết vòng đời có thể được xử lý đơn giản hơn rất nhiều mà không gây rủi ro lớn cho môi trường.

Các chuyên gia nhận định, đây là bước tiến đáng chú ý đối với ngành lưu trữ năng lượng, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu xây dựng các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn cho năng lượng tái tạo đang tăng mạnh trên toàn cầu.

Trước đó, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng pin nước dù an toàn hơn pin lithium-ion nhưng vẫn gặp vấn đề về chi phí bảo trì, độ bền và nguy cơ ô nhiễm môi trường nếu xảy ra sự cố rò rỉ hóa chất.

Đột phá mới được kỳ vọng sẽ giúp khắc phục đồng thời nhiều hạn chế tồn tại lâu nay của pin nước, bao gồm tuổi thọ thấp, hiệu suất suy giảm theo thời gian và khó khăn trong việc xử lý chất thải sau sử dụng.

Nếu tiếp tục được hoàn thiện và thương mại hóa thành công, công nghệ pin mới có thể trở thành một trong những giải pháp lưu trữ năng lượng bền vững và an toàn nhất trong tương lai.