Tin ngành

Công ty khởi nghiệp của Úc phát minh ra chất điện phân pin không độc hại mang tính đột phá, rẻ hơn đến 100 lần

By admin 02/08/2021 1494 Lượt xem

Khoảng một thập kỷ trước, Giáo sư Thomas Nann đã nhận ra rằng chìa khóa để đạt được nền kinh tế không carbon không phải là tạo ra điện một cách tái tạo, vốn đã rất tốt để cắt giảm nhiên liệu hóa thạch, mà là dự trữ năng lượng - tìm ra cách làm cho các electron sạch này có thể phân tán được, có thể được triệu tập theo yêu cầu.

Giáo sư Nann ngày nay là Hiệu trưởng Trường Toán học và Khoa học Vật lý tại Đại học Newcastle nhưng đã trở thành một nhà hóa học tại quê hương của ông, Đức.

Vào tháng 4, ông đã thành lập công ty khởi nghiệp Allegro Energy cùng với hai học trò cũ của mình, Fraser Hughson và Rohan Borah. Công ty khởi nghiệp tìm cách thương mại hóa chất điện phân pin vi nhũ tương của mình, mặc dù chủ yếu là nước theo khối lượng, đã khắc phục được những hạn chế về điện áp thường cản trở các giải pháp dựa trên nước.

Chất điện phân ắc quy

Chất điện phân nằm giữa cực dương và cực âm của pin, cho phép các ion đi qua lại giữa hai vật dẫn. Trong pin, chất điện phân thường dạng nước hoặc sử dụng dung môi hữu cơ. Cả hai hình thức này đều có các vấn đề riêng của chúng. Ví dụ, các dung dịch gốc dung môi hữu cơ có xu hướng ổn định điện hóa tốt nhưng đắt tiền và có thể độc hại. Với các chất điện phân dạng nước hoặc nước, vấn đề là dung dịch chỉ ổn định ở mức 1,23 V, tại thời điểm đó nước phân tách thành các phân tử hydro và oxy riêng biệt.

Vì vậy, khi giáo sư Nann bắt đầu tập trung vào pin lưu trữ, ông đã nảy ra ý tưởng giải quyết chính những vấn đề đã khiến các nhà nghiên cứu bối rối trong nhiều thập kỷ. “Tại một số thời điểm, tôi chỉ nghĩ 'tại sao không làm cả hai điều này?'” Giáo sư Nann nói với Australia pv magazine. Đó là, tại sao không tạo ra chất điện phân có cả nước và thành phần dung môi ở dạng vi nhũ tương. "Chúng tôi hoàn toàn bị choáng ngợp trước cách nó hoạt động tốt như thế nào."

Giáo sư Thomas Nann (giữa) của Allegro Energy, cùng với nhóm của ông đã phát hiện ra chất điện phân vào năm 2017.
Năng lượng Allegro

Vi nhũ tương

Tất nhiên, vi nhũ tương không hoàn toàn đơn giản như thêm nước rửa chén và dầu vào nước - đúng hơn, nó là sự kết hợp của các phân tử nước với chất lỏng kỵ nước, cùng với chất hoạt động bề mặt cho phép hai dung môi thông thường này liên kết với nhau. Về cơ bản, sự kết hợp xảy ra ở cấp độ ‘vi mô’ như vậy không thể tách rời. “Nó ổn định về mặt nhiệt động lực học,” Giáo sư Nann nói. “Điều đó khiến chúng trở nên đặc biệt và đó là lý do tại sao chúng tôi có thể sử dụng chúng ở trong pin”.

Khi tôi hỏi tại sao khái niệm này chưa bao giờ được áp dụng cho việc lưu trữ pin, Giáo sư Nann cười - "Đó là một câu hỏi thực sự hay!"

"Thực ra khi chúng tôi gửi bằng sáng chế ngay từ đầu, các nhân viên cấp bằng sáng chế đã quay lại với chúng tôi và nói rằng 'Chà, điều đó quá tầm thường' và chúng tôi đã đưa ra chính xác lập luận đó - tại sao chưa có ai khác làm điều đó?" anh ấy nói: "Tôi nghĩ chỉ là không ai nghĩ đến điều đó."

Điểm mấu chốt của phát hiện của Giáo sư Nann và những người đồng sáng lập của ông là nếu bạn sử dụng vi nhũ tương làm chất điện phân cho pin, bạn có thể vượt qua rào cản 1,2 V khó chịu của nước. “Nó như loại nước sốt bí mật,” Giáo sư Nann nói.

“Điều đó rất bất thường - thông thường khi bạn thực hiện nghiên cứu, bạn thất bại 99% thời gian nhưng điều đó có hiệu quả ngay lập tức,” ông nói thêm: "Nó đã mở ra một thế giới nghiên cứu hoàn toàn mới."

Chất điện phân tiết kiệm

Vẻ đẹp của giải pháp này là sự đơn giản của nó - điều này làm cho nó cực kỳ rẻ, ổn định, sản xuất dễ dàng hơn và ít sử dụng carbon hơn.

Theo mô hình của công ty khởi nghiệp, chi phí của chất điện phân chiếm tới 70% giá của siêu tụ điện. “Một lít hoặc một kg chất điện phân hiện tại có giá khoảng 10 USD, của chúng tôi có giá 10 xu,” Giáo sư Nann nói.

"Vậy là nó rẻ hơn đến 100 lần"

Các chất điện phân hiện đang được sử dụng trong siêu tụ điện cũng nhạy cảm với không khí, vì vậy chúng cần có môi trường bảo vệ trong sản xuất. “Điều đó không cần thiết đối với chúng tôi… và đó là một lợi thế lớn trong sản xuất vì nó rẻ hơn nhiều”.

Giáo sư Nann cho biết thêm: “Chúng tôi cũng đã thực hiện một số ước tính về lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất và chúng tôi tiết kiệm khoảng 70% lượng carbon dioxide chỉ bằng cách không sử dụng môi trường bảo vệ nó.

Chất điện phân của Allegro Energy cũng giúp pin vượt qua nghịch lý vừa là bộ phận lưu trữ năng lượng tái tạo, đồng thời cực kỳ độc hại và khó tái chế. Thông thường, chất điện phân là một trong những yếu tố ăn mòn và nguy hiểm nhất của pin, nhưng sự kết hợp chất điện phân vi nhũ tương của Allegro "không cho thấy vấn đề gì", làm cho nó tương thích với tầm nhìn dài hạn của các nền kinh tế.

Các trường hợp ứng dụng: siêu tụ điện

Sau khi giáo sư Nann phát hiện ra giải pháp, ông và nhóm của mình đã tiến hành sàng lọc các loại pin khác nhau và đánh giá xem nó ứng dụng tốt nhất ở đâu. Có hai ứng viên nổi bật: siêu tụ điện và pin dòng oxy hóa khử.

Siêu tụ điện hoạt động tương tự như pin nhưng không liên quan đến phản ứng hóa học. Thay vào đó, năng lượng được lưu trữ và thu hoạch đơn giản bằng cách tách các điện tích về mặt vật lý.

Tesla đã bắt đầu ghép siêu tụ điện (loại nhỏ) với pin lithium-ion trong ô tô của mình, sử dụng siêu tụ điện tạo ra năng lượng bùng nổ để tăng tốc, trước khi sử dụng lithium-ion.

Nhận thấy tiềm năng này trong lĩnh vực vận tải, Giáo sư Nann nói với Australia pv magazine Allegro Energy ban đầu sẽ tập trung vào ngành công nghiệp mỏ, một trong những ngành phát thải lớn nhất của Australia. Dưới sự giám sát ngày càng chặt chẽ, nhiều công ty đã bắt đầu cam kết thực hiện các mục tiêu giảm thiểu carbon, điều mà Giáo sư Nann nói sẽ chẳng có nghĩa lý gì nếu như không cải tiến quy trình của họ. Điều này, tất nhiên, mang lại tiềm năng rất lớn.

Các siêu tụ điện có thể sạc và xả cực kỳ nhanh chóng - ví dụ như người ta đã thấy chúng được sử dụng trong xe điện của Newcastle, sẽ sạc trong 20 giây dừng lại trên tuyến đường của nó. Giống như xe điện, xe tải và các phương tiện vận chuyển khai thác khác đi theo những con đường có thể đoán trước, khiến ngành công nghiệp đang nhanh chóng trở thành ứng cử viên hoàn hảo cho Allegro.

Các trường hợp ứng dụng: pin dòng oxy hóa khử

Pin lưu lượng oxy hóa khử quy mô lưới là một lĩnh vực khác mà Allegro có kế hoạch khám phá, cả về khả năng kết hợp với siêu tụ điện và tích hợp với chất điện phân của nó.

“Khi bạn lưu trữ năng lượng ở cấp lưới, bạn muốn thứ gì đó rẻ và lớn, dòng oxy hóa khử là hoàn hảo cho điều đó. Nhưng năng lượng bạn nhận được từ đó và thời gian phản hồi thực sự tồi tệ… phải mất khoảng một phút hoặc lâu hơn trước khi hệ thống có thể đáp ứng nhu cầu, ”Giáo sư Nann giải thích.

Thời gian phản hồi chậm này ngăn cản pin phản ứng với việc tăng và sụt giảm nguồn điện nhanh chóng, đây là một vấn đề đối với cả sự ổn định của lưới điện và cả việc giao dịch trên thị trường Dịch vụ phụ trợ kiểm soát tần số (FCAS), vốn đã được chứng minh là cực kỳ sinh lợi cho các hãng pin lớn của Úc.

Giáo sư Nann nói: “Nếu bây giờ bạn kết hợp [pin dòng oxy hóa khử] với một siêu tụ điện, nó có thời gian phản hồi nhanh đến mức đáng kinh ngạc và gần như có thể đáp ứng cho bất kỳ nhu cầu nào."

Rào cản sản xuất pin

Mặc dù dung dịch điện phân của Allegro rẻ, dễ sản xuất và không độc hại, hiện công ty khởi nghiệp này đang phải đối mặt với một rào cản: sự khan hiếm hoàn toàn về năng lực sản xuất pin ở Úc.

Theo như giáo sư Nann thấy, có hai giải pháp. Điều đầu tiên và ít mong muốn nhất là chuyển việc sản xuất ra nước ngoài. “Đó là phương sách cuối cùng,” ông nói.

Ấn tượng của một nghệ sĩ về cơ sở Energy Renaissance, được thiết lập là cơ sở sản xuất pin lithium-ion đầu tiên của Úc. Hình ảnh: Energy Renaissance

“Chiến lược khác mà chúng tôi đang xem xét là bắt đầu với quy mô nhỏ và phát triển một cách hữu cơ.” Hiện tại, công ty khởi nghiệp đang làm việc trên "quy mô phòng thí nghiệm", "vì vậy chúng tôi đang tự tay tạo ra các sản phẩm của mình." Giáo sư Nann hy vọng rằng công ty có thể sản xuất quy mô nhỏ và tiếp tục phát triển khi doanh thu tăng lên.

Allegro hiện cũng đang tìm kiếm các đối tác thương mại và cộng tác viên, điều này cũng có thể giúp giảm bớt phần nào sự bế tắc trong sản xuất này.

Climate Launchpad

Allegro Energy là một trong tám ứng viên lọt vào vòng chung kết của sáng kiến Climate Launchpad năm nay, được điều hành bởi Climate-KIC Australia, một tổ chức chị em của Europe’s Climate-KIC do Liên minh Châu Âu tài trợ.

Chương trình, mà Giáo sư Nann châm biếm đã giúp chuyển đội ngũ học giả thành những người kinh doanh, đang trao giải thưởng 50.000 USD cho người chiến thắng. Giáo sư Nann nói rằng tiền sẽ giúp công ty khởi nghiệp bước ra khỏi phòng thí nghiệm và bước vào lĩnh vực sản xuất.

Link nguồn bài viết: Aussie startup invents breakthrough non-toxic battery electrolyte that’s cheaper ‘by factor of 100’ – pv magazine International (pv-magazine.com)