Pin nước không độc, sống lâu gấp 10 lần pin thường
Các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc vừa công bố một công thức đột phá cho loại “pin nước” không độc hại, có tuổi thọ cao gấp 10 lần so với những thiết bị lưu trữ năng lượng tốt nhất hiện nay. Điều đặc biệt hơn, loại pin này không bị suy giảm chất lượng trong suốt vòng đời dài kỷ lục và có thể được thải bỏ an toàn ra môi trường.
Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 18/2, nhóm khoa học gia đã sử dụng các polyme hữu cơ cộng hóa trị tổng hợp (COPs). Đây là những phân tử hữu cơ bền vững như nitơ và carbon, được liên kết chặt chẽ với nhau trong một cấu trúc có các lỗ rõ ràng, đóng vai trò như cực dương (anode) cho các ion magiê và canxi.
Thông thường, các polyme hữu cơ loại này ít được ứng dụng vì chúng nhanh chóng phân hủy trong môi trường điện phân gốc nước – vốn có tính axit hoặc kiềm cực mạnh. Chất điện phân này đóng vai trò thiết yếu trong việc di chuyển ion giữa cực dương và cực âm (cathode), giúp pin nước trở thành một lựa chọn an toàn, không cháy nổ và giá rẻ hơn so với pin truyền thống.
Điểm mấu chốt trong nghiên cứu này là việc tìm ra một hợp chất đặc biệt: hexaketone-tetraaminodibenzo-p-dioxin. Hợp chất này kết hợp carbonyl mật độ cao – lý tưởng để thu hút các ion dương – với một phân tử tetraaminodibenzo-p-dioxin cứng chắc, giúp duy trì cấu trúc tổ ong phẳng của hexaketone. Nhờ sử dụng chất điện phân trung tính với độ pH 7.0, các ion được dẫn truyền với hiệu suất cao mà không làm ăn mòn COP.
Kết quả thử nghiệm cho thấy các polyme này có thể chịu được 120.000 chu kỳ sạc – gấp hơn 10 lần tuổi thọ của pin lithium-ion thông thường dùng trong lưu trữ lưới điện. Với tốc độ trung bình 1,1 chu kỳ mỗi ngày (theo số liệu năm 2024), loại pin nước này có thể hoạt động khoảng 300 năm trước khi cần thay thế.
Đáng chú ý, chất điện phân trong pin mới an toàn đến mức các nhà nghiên cứu ví von rằng nó có thể được dùng làm nước muối đậu phụ – hoàn toàn không độc hại và dễ dàng thải bỏ trực tiếp ra môi trường.
Lợi ích của pin nước
Pin nước đặc biệt được ưa chuộng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện nhờ tính không cháy và chi phí thấp. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm: không lưu trữ được nhiều năng lượng như pin lithium-ion hay natri-ion do điện cực gốc nước giới hạn điện áp tối đa. Bên cạnh đó, pin nước thường bị phân hủy theo thời gian vì độ pH cực đoan của chất điện phân tạo ra khí hydro và oxy, ăn mòn các thành phần kim loại – thậm chí có thể gây nổ trong một số trường hợp.
Giới hạn này – sự đánh đổi giữa an toàn và dung lượng – thường được giải quyết bằng cách xây dựng các hệ thống pin nước lớn hơn. Nhưng giải pháp đó lại kéo theo vấn đề mới: dung dịch điện phân thường độc hại và phải được xử lý cẩn thận, gây rủi ro môi trường nếu xảy ra sự cố và làm tăng chi phí vận hành.
Bước đột phá mới này hứa hẹn giải quyết tất cả những hạn chế trên bằng một thành phần hóa học vừa không độc hại, vừa duy trì hiệu suất cao trong dài hạn – mang đến tuổi thọ pin vượt trội và loại bỏ gánh nặng xử lý chất thải độc hại.
