Loại pin ‘lì nhất thế giới’ sốt trở lại sau 120 năm bị chê

Từ phát minh của Thomas Edison đến công nghệ bị bỏ lại phía sau

Năm 1901, Thomas Edison giới thiệu pin nickel-sắt (Ni-Fe) với kỳ vọng thay thế các loại pin chì-axit đương thời. Loại pin này có cấu tạo tương đối đơn giản, với cực dương làm từ nickel oxide, cực âm là sắt và dung dịch điện phân kiềm. 

Ngay từ đầu, pin Ni-Fe đã bộc lộ một ưu điểm đặc biệt ở độ bền vượt trội so với nhiều công nghệ lưu trữ năng lượng khác.

Trong điều kiện vận hành phù hợp, pin nickel-sắt có thể hoạt động ổn định hàng chục năm, thậm chí lên tới 30-50 năm mà không suy giảm đáng kể. Khả năng chịu được nhiều chu kỳ sạc – xả sâu mà không hư hỏng, khiến nó trở thành một trong những loại pin “lì” nhất từng được phát triển.

Tuy nhiên, chính những hạn chế về hiệu suất đã khiến phát minh này sớm bị bỏ lại phía sau. Pin Ni-Fe có tốc độ sạc chậm, hiệu suất năng lượng thấp hơn so với pin chì-axit, chưa kể đến kích thước lớn và chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao trong bối cảnh đầu thế kỷ 20. 

Khi các công nghệ mới, đặc biệt là lithium-sắt, ra đời với mật độ năng lượng cao và khả năng sạc nhanh, pin nickel-sắt dần biến mất khỏi dòng chảy chính của công nghệ lưu trữ năng lượng.

Trong suốt hơn 120 năm, loại pin này gần như chỉ tồn tại trong những ứng dụng rất hẹp như hệ thống điện độc lập hoặc các môi trường yêu cầu độ bền cao. Nhưng khi bối cảnh năng lượng toàn cầu thay đổi, một phát minh tưởng như đã bị bỏ quên lại bắt đầu được nhìn nhận lại.

Vì sao công nghệ pin hơn một thế kỷ tuổi lại được nghiên cứu trở lại?

Sự trở lại của pin nickel-sắt gắn liền với sự phát triển của năng lượng tái tạo. Điện mặt trời và điện gió ngày càng đóng vai trò quan trọng, nhưng lại có đặc điểm không ổn định, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên. Nhu cầu lưu trữ năng lượng dài hạn trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

Trong khi đó, pin lithium-ion phổ biến hiện nay dù có hiệu suất cao nhưng lại đối mặt với nhiều hạn chế như tuổi thọ giảm theo thời gian, chi phí thay thế lớn và phụ thuộc vào các vật liệu như lithium hay cobalt, vốn gây ra nhiều vấn đề về môi trường và chuỗi cung ứng.

Ngược lại, pin nickel-sắt với cấu trúc đơn giản lại sở hữu những đặc điểm phù hợp với bài toán độ bền cao, ít suy giảm theo chu kỳ, vật liệu phổ biến và mức độ an toàn cao. Đây là lý do khiến loại pin này bắt đầu được quan tâm trở lại trong các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, đặc biệt là lưới điện vi mô hoặc các khu vực chưa có lưới điện ổn định.

Hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu đang tìm cách cải tiến loại pin này. Tại Đại học California, Los Angeles (UCLA), các nhà khoa học tập trung vào bài toán cốt lõi tồn tại suốt hơn một thế kỷ là hiệu suất thấp và tốc độ phản ứng chậm. 

Một hướng tiếp cận quan trọng là cải tiến vật liệu điện cực bằng các cấu trúc nano hoặc vật liệu xốp, giúp tăng diện tích bề mặt phản ứng và cải thiện tốc độ trao đổi ion. Khi đó, pin sẽ bền và vận hành hiệu quả hơn, giảm đáng kể tổn thất năng lượng.

Một số nghiên cứu khác cũng tập trung vào việc bổ sung chất xúc tác nhằm hạn chế hiện tượng sinh khí hydrogen ngoài ý muốn – vốn làm giảm hiệu suất của pin trong quá trình hoạt động. 

Đồng thời, việc điều chỉnh thành phần và nồng độ dung dịch điện phân cũng được xem là yếu tố then chốt để cải thiện độ dẫn điện và độ ổn định lâu dài của hệ pin.

Đáng chú ý, một hướng đi mới đang được quan tâm là kết hợp pin nickel-sắt với sản xuất hydrogen. Do đặc tính điện hóa của hệ Ni-Fe, trong quá trình sạc, pin có thể đồng thời tham gia phản ứng điện phân nước để tạo ra hydrogen. 

Thay vì xem đây là một tổn thất năng lượng, các nhà khoa học đang tìm cách tận dụng quá trình này để biến pin thành một phần của hệ thống lưu trữ năng lượng lai, nơi điện năng có thể được chuyển hóa và lưu trữ dưới dạng nhiên liệu.

Cách tiếp cận này cho thấy pin nickel-sắt có thể trở thành một mắt xích trong hệ sinh thái năng lượng mới, đặc biệt trong bối cảnh nhiều quốc gia đang đầu tư vào nền kinh tế hydrogen.

Dù vậy, pin Ni-Fe không được kỳ vọng sẽ thay thế lithium-ion trong các lĩnh vực như xe điện hay thiết bị điện tử. Thay vào đó, nó đang được định vị như một giải pháp bổ sung, phù hợp với các hệ thống cần độ bền cao và chi phí vận hành dài hạn thấp.