Đồng hồ cát - một loại bơm trọng lực

Xuất hiện từ những năm 1970, công nghệ pin lỏng (liquid flow battery) không quá xa lạ. Đây là loại pin mà các điện cực dương và âm đều ở dạng lỏng với một màng ngăn ở giữa. Loại pin này có tiềm năng khắc phục được nhiều điểm yếu của pin truyền thống như dễ đổ vỡ, dễ hỏng hóc hoặc độ dẫn điện bị hạn chế bởi vật liệu rắn.

Các phiên bản pin lỏng đầu tiên đều sử dụng những vật liệu có mật độ năng lượng rất thấp, nên khả năng lưu trữ năng lượng trên một đơn vị trọng lượng không cao.

Mô hình pin lỏng đang được các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu chế tạo. Ảnh: INT

Năm 2009, ý tưởng pin lỏng mới của Học viện Công nghệ Massachuset (MIT) được tạp chí Technology Review bình chọn là một trong 10 công nghệ nổi bật với đặc tính rẻ, bền và có thể sử dụng tại nhiều địa điểm.

Nhưng cho đến nay, pin lỏng vẫn dựa trên các hệ thống phức tạp gồm bồn chứa, van và bơm, khiến cho giá thành bị đẩy lên và gây nguy cơ rò rỉ hoặc sự cố. Điểm bất lợi này có thể sẽ sớm được giải quyết nhờ một ý tưởng mới - cũng của MIT. Đó là sắp xếp điện cực thụ động phụ thuộc vào trọng lực, tương tự mô hình đồng hồ cát cổ điển. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư vật liệu Yet-Ming-Chang dẫn đầu, có sự tham gia của nhiều chuyên gia hàng đầu của MIT về kỹ thuật cơ học, giảng dạy sáng tạo, khoa học vật liệu và kỹ thuật.

Phiên bản pin mới sẽ thay hệ thống bơm bằng cách dùng trọng lực để đơn giản hóa hệ thống. Tốc độ sinh năng lượng được điều chỉnh dễ dàng bằng cách đổi góc thiết bị, qua đó tăng hoặc giảm tốc độ dòng chảy. Phiên bản này thay thế tất cả các bơm bằng một hệ thống cấp vật liệu đơn giản sử dụng trọng lực.

Về nguyên lý, nó hoạt động như đồng hồ cát, trong đó các hạt vật chất chảy qua một lỗ mở hẹp để đi từ bể chứa này sang bể chứa khác. Dòng chảy có thể được đảo ngược bằng cách lật ngược thiết bị. Trong trường hợp này, hình dạng tổng thể của pin trông giống như một khung cửa sổ chữ nhật, trong đó một khe hẹp xuất hiện tại vị trí hai khung kính gặp nhau ở giữa cửa sổ.

Sự kết hợp giữa điện hóa học và cơ học chất lỏng

Chuyên gia Venkat Viswanathan - Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Mỹ) - cho rằng, các tác giả đã dựng được cây cầu kết nối hai lĩnh vực vốn tách biệt nhau là cơ học chất lỏng và điện hóa học, qua đó phát triển một phương pháp tiếp cận hứa hẹn dùng để lưu trữ điện năng dưới dạng pin. “Hệ thống bơm chiếm tỷ trọng lớn trong chi phí pin lỏng. Thiết kế không dùng bơm này có thể truyền cảm hứng cho một dòng pin lỏng mới theo hướng dòng chảy thụ động” - Viswanathan nhận định.

Trong phiên bản trình bày ý tưởng của nhóm nghiên cứu, chỉ có một trong hai mặt của pin chứa chất lỏng có thể chảy được, mặt còn lại là một tấm lithium dạng rắn. Các tác giả quyết định thử ý tưởng ở dạng đơn giản hơn trước khi đi đến mục tiêu cuối cùng là mô hình mà cả hai mặt (tức cả điện cực âm và điện cực dương) đều có dạng lỏng, phân tách bởi một màng chắn và chảy từ mặt này sang mặt kia qua một lỗ mở.

Theo Chiang, pin rắn và pin lỏng đều có lợi thế riêng tùy theo ứng dụng cụ thể. “Ý tưởng ở đây cho thấy chúng ta không cần tự trói mình vào hai thái cực (của thiết kế). Đây là ví dụ cho thấy các thiết bị lai có thể là lựa chọn trung gian” - ông Chiang nói.

Phần khó nhất trong thiết kế là kiểm soát các đặc tính của khối hồ lỏng để làm chủ tốc độ dòng chảy. Các chất lỏng đặc có phản ứng hơi giống nước xốt cà chua trong chai, ban đầu rất khó rót nhưng khi đã chảy ra ngoài có thể tạo thành dòng chảy rất đột ngột. Việc giữ dòng chảy ở mức vừa đủ cần một quá trình dài điều chỉnh cả hỗn hợp lỏng và thiết kế các cấu trúc cơ học. Trong phiên bản ý tưởng, tốc độ dòng chảy có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh góc thiết bị. Theo nhóm làm việc, thiết bị sẽ vận hành hiệu quả nhất tại một góc rất nhỏ - gần như nằm ngang với dòng chảy rất ổn định ở mức chậm.

Dễ chế tạo là lợi thế rất quan trọng của pin lỏng thế hệ mới. Nếu pin rắn truyền thống cần các điểm nối điện ở từng cục pin để tạo thành hệ thống lớn, loại pin lỏng này chỉ cần kết nối tại phần “eo” đồng hồ cát. Điều này giúp đơn giản hóa nhu cầu ráp nối hệ thống bằng cơ học. Các thành phần đủ đơn giản để được chế tạo bằng đúc khuôn phun hoặc in 3D.

Theo các tác giả, thiết kế mới này sẽ là tiền đề để chế tạo hệ thống pin đơn giản, chắc gọn hơn, không quá đắt và có kích thước tiêu chuẩn. Nó cho phép mở rộng dần các hệ thống lưu trữ kết nối với nhau ở dạng lưới để đáp ứng nhu cầu lưu trữ điện năng ngày càng tăng. Những hệ thống đó có thể sẽ có vai trò thiết yếu khi mở rộng quy mô sử dụng các nguồn năng lượng không được cung cấp liên tục như gió hoặc mặt trời.

Theo khoahocphattrien.vn