Quá trình hình thành và phát triển công nghệ pin lưu trữ
Pin lưu trữ là một trong nhữn nền tảng quan trọng của xã hội hiện đại và ngày càng chứng minh được vai trò của nó trong vấn đề an ninh năng lượng. Sự phát triển vượt trội của công nghệ pin lưu trữ hiện nay đang dẫn đến một kỷ nguyên mới của quá trình chuyển đổi năng lượng và xây dựng xã hội bền vững. Để tìm hiểu sâu hơn về pin lưu trữ, bạn hãy cùng LITHACO tìm hiểu sâu hơn về lịch sử hình thành và phát triển của Pin lưu trữ.
Lịch sử pin lưu trữ
Giáo sư Alesandro Volta, cha đẻ của pin hiện đại, đã phát minh ra Voltaic Pile vào năm 1800 (Nguồn tham khảo số 1). Đây là thiết bị đầu tiên do con người tạo ra có thể liên tục cung cấp dòng điện để thắp sáng một căn phòng hoặc ở quy mô rộng hơn để thắp sáng toàn bộ ngành điện thế kỷ 19 và thậm chí cả xã hội hiện đại của chúng ta. Ông Volta đã mang phát minh của mình đi lưu diễn khắp châu Âu để chứng minh “phép thuật” của mình. Khán giả bao gồm Hoàng đế Pháp Napoleon được thể hiện trong bức tranh sơn dầu, Hình 1
Phát minh về pin của Volta tạo ra dòng điện một chiều liên tục. Từ đó dẫn đến một loạt phát minh khác bao gồm: các thí nghiệm của Ampere về việc xác nhận mối quan hệ giữa điện và từ tính vào năm 1820; động cơ điện đầu tiên của Michael Faraday vào năm 1821 và một phát minh khác về vòng cảm ứng chứng minh rằng dòng điện có thể được tạo ra bởi những thay đổi trong trường điện từ. Tất cả những phát minh về dòng điện này vào thế kỷ 19 đã mở đường cho các thế hệ dòng điện một chiều (DC) và Dòng điện thay thế (AC) hiện đại. Người ta thừa nhận rằng phát minh về pin của Volta đã đặt nền móng cho ngành Điện hiện đại của chúng ta ngày nay. Tuy nhiên, do sự tạo ra điện từ của nguồn điện xoay chiều, vai trò của nguồn năng lượng và cách sử dụng của pin đã trở nên ít quan trọng hơn trong cuộc sống hàng ngày của con người cho đến nay.
Tại sao xã hội cần những nguồn Năng lượng Mới?
Sau nhiều năm nghiên cứu khoa học và thông qua các cuộc thảo luận công khai và thậm chí tranh luận về mặt chính trị, có một nhận thức chung rằng một xã hội bền vững là vô cùng quan trọng đối với con người. Nhưng làm thế nào để duy trì sự bền vững vẫn là câu hỏi còn bỏ ngõ. Tuy nhiên, những tiến bộ của khoa hoc và công nghệ trong những năm gần đây đã dần thay đổi cục diện của các ngành công nghiệp năng lượng thông qua sự phát triển vượt trội của phân khúc năng lượng tái tạo. Các đại diện chính của năng lượng tái tạo là quang điện mặt trời và năng lượng gió. Kể từ năm 2012, chi phí trung bình của năng lượng gió đã tương ứng với sản xuất năng lượng khí. Từ năm 2013, chi phí sản xuất của điện mặt trời (PV) đã rẻ hơn so với điện than, điện hạt nhân và khí đốt kể từ năm 2015, xem Hình 2 bên dưới.
Hình 2 Chi phí năng lượng tái tạo đã giảm đáng kể so với nhiên liệu hạt nhân và hóa thạch.
Chi phí năng lượng theo quy định ( LCOE ) giảm đi cùng với sự tăng trưởng của năng lượng tái tạo, đặc biệt là sự gia tăng theo cấp số nhân kể từ năm 2010, xem Hình 3.
Hình 3 Việc tạo ra năng lượng tái tạo tăng theo kinh nghiệm (terawatt-giờ)
Pin đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng
Lưu trữ điện (năng lượng) là yếu tố then chốt để ứng dụng rộng rãi năng lượng tái tạo vì cả năng lượng mặt trời và năng lượng gió đều là những nguồn năng lượng không liên tục, phụ thuộc vào thời tiết, mùa và vị trí địa lý. Có ba phương pháp cơ bản để lưu trữ năng lượng – Năng lượng từ lực hấp dẫn; Năng lượng cơ học và Năng lượng hóa học. Với mỗi phương pháp có những phương pháp phụ (theo những cách thức khác nhau), hãy xem các mục bên dưới để biết thêm chi tiết qua các mô tả bằng hình ảnh. Pin là một trong những phương pháp lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, nó là một cơ chế quan trọng trong khi một số người tin tưởng rằng nó có lẽ là một trong những cơ chế lưu trữ năng lượng quan trọng nhất vì tính đơn giản cho phía người dùng (không có bộ phận chuyển động mà chỉ có dây kết nối điện), kích thước đa dạng từ mWh (Miliwatt giờ) đến MWh (Megawatt giờ) thậm chí lên đến GWh (Gigawatt giờ) trong đơn vị đo lường năng lượng. Trường Cao đẳng Imperial ở Vương quốc Anh (Vương quốc Anh) đã xuất bản một bài báo để phân tích một cách có hệ thống LCOE cho 9 công nghệ lưu trữ điện khác nhau và 12 ứng dụng (Nguồn tham khảo số 5). Họ kết luận rằng công nghệ pin là công nghệ duy nhất có thể đáp ứng tất cả 12 ứng dụng trong Bảng 1. Ngoài ra, trong bài báo, mô hình LCOE của họ đã dự đoán rằng pin sạc Lithium-ion sẽ trở thành “hiệu quả nhất cho gần như tất cả các ứng dụng tĩnh từ năm 2030”.
Hình 4a (bên cạnh): Tích trữ và chuyển đổi năng lượng thông qua Tiềm năng hấp dẫn (GP) bằng cách di chuyển khối lượng lên độ cao lớn hơn để tích trữ năng lượng. Khi cần, thế năng được chuyển thành năng lượng. Hydrat bơm là công nghệ áp dụng nhất. Vault Tower là một ví dụ khác của GP.
Hình 4b: Tích trữ và chuyển đổi năng lượng thông qua lực động cơ học. Bánh đà
và khí nén là những ví dụ điển hình.
Hình 4c Lưu trữ và chuyển đổi năng lượng hóa học. Pin hiện là biện pháp phổ biến nhất để lưu trữ năng lượng đang được phát triển rộng rãi. Có hai phương pháp điện phân nước để tạo hydro – điện phân một chiều thông thường và điện phân nước bằng xúc tác quang. Nghiên cứu nổi bật nhất là khử điện hóa CO2 để bao phủ khí GH thành nhiên liệu.
Hình 5: Lắp đặt các bộ pin Li-ion làm bộ lưu trữ năng lượng trong một trang trại gió ở Wales, Vương quốc Anh.
Trong lĩnh vực giao thông vận tải, điện khí hóa đã tăng tốc để chạy đua đến sản xuất hàng loạt và được người tiêu dùng chấp nhận rộng rãi. Nó được thể hiện bằng việc triển khai thành công đội xe điện đầu tiên của TESLA. Trên thực tế, hầu hết các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đều có những nỗ lực mạnh mẽ để điện khí hóa ngành công nghiệp vận chuyển. IEA tuyên bố rằng “các phương tiện điện đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các mục tiêu môi trường của Kịch bản Phát triển Bền vững nhằm giảm ô nhiễm không khí tại địa phương và giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu”. Trong báo cáo của họ, triển vọng di chuyển bằng điện đến năm 2030 tăng 36% hàng năm, đạt 245 triệu xe vào năm 2030 – hơn 30 lần so với mức hiện nay (Nguồn tham khảo số 6).
Bảng 1: Các phương pháp lưu trữ và sự phù hợp về công nghệ – Trường Imperial College.
Ắc quy
Pin là một lò phản ứng điện hóa, được phát minh lần đầu tiên bởi Giáo sư Volta như được mô tả trong phần đầu tiên của bài viết. Bên trong một tế bào pin, có hai điện cực được nhúng trong một chất lỏng dẫn ion chung, được gọi là chất điện phân. Một điện cực, sẽ bị oxy hóa bằng cách nhường electron và một điện cực khác, nhận electron đi qua mạch bên ngoài, tạo thành tế bào điện hóa đơn giản. Các electron chạy qua mạch ngoài là để cung cấp năng lượng cho các tải tiêu thụ. Do đó, các ion từ phản ứng điện cực di chuyển trong chất điện phân, tạo thành một vòng điện đầy đủ. Xem hình minh họa đơn giản của tế bào Voltaic trong Hình bên. Phải có một lớp ngăn cách giữa hai điện cực để ngăn chúng chạm vật lý vào nhau và bị ngắn mạch.
Vì vậy, pin là một thiết bị lưu trữ năng lượng chứa tất cả năng lượng hóa học trong các hộp được đóng gói (pin dòng chảy là một ngoại lệ sẽ được thảo luận trong phần sau). Do đó, các điện cực chứa năng lượng càng cao thì tế bào pin càng có mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, về mặt nhiệt động lực học, thế điện hóa giới hạn điện áp đầu ra của pin dưới 5 volt và chuẩn độ điện thế (coulometry) của hóa chất điện cực được điều chỉnh bởi hằng số Faraday (Nguồn tham khảo số 7). Biểu đồ bên cạnh cho thấy cửa sổ điện hóa của hệ thống pin hiện đại. Các chấm màu xanh là vật liệu làm cực âm (điện cực dương trong quá trình phóng điện) và các chấm màu đỏ là vật liệu làm cực dương (điện cực âm trong quá trình phóng điện).
Điện thế hóa học của cặp đôi điện hóa càng rộng thì điện thế của pin càng cao (trục Y). Trục X đại diện cho đại lượng coulometric của vật liệu điện cực hoặc được gọi là dung lượng được đo bằng mili-ampe-giờ (mAh / gam). Rõ ràng, phía xa bên phải tương ứng với nhiều dung lượng hơn. Các cặp đôi điện hóa có mật độ năng lượng cao nhất nằm trong số LixCoO2 / Li, S8 / Li và thậm chí S8 / Si cho dòng pin sạc lại được. Hiện tại, LixCoO2 / Li đã hiện thực hóa các ứng dụng thương mại (phần bên dưới). Hai dòng còn lại vẫn đang được phát triển.
Pin Li-ion có thể sạc lại tiên tiến hiện đại
Năm 2019, giải Nobel Hóa học (Nguồn tham khảo số 8) đã được trao cho ba nhà hóa học pin và nhà khoa học vật liệu tiên phong, Giáo sư Stanley Whittingham của Đại học Binghamton ở New York, Giáo sư John Goodenough của UT Austin và Giáo sư Akira Yoshino của Đại học Meijo, Nagoya, Nhật Bản, Hình 8.
Hình 8 Giải Nobel Hóa học 2019 được trao cho ba nhà hóa học về pin Li-ion vì những công trình tiên phong của họ về hóa học pin và khoa học vật liệu.
Câu chuyện của ba nhà khoa học mang đến một cái nhìn tổng thể về sự phát triển của công nghệ pin Li-ion. Pin tiểu Lithium có mật độ năng lượng cao đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và quốc phòng từ những năm 1960 (Nguồn tham khảo số 9). Việc chế tạo pin sạc lithium là một hướng phát triển mang tính bản chất. Tuy nhiên, cho đến năm 1970, Stanley Whittingham đã phát triển một cực âm sáng tạo, titan đisunfua, ở cấp độ phân tử, có những khoảng trống có thể chứa ion lithium. Đây là nền tảng quan trọng của pin lithium-ion có thể sạc lại hiện đại. Năm 1980, John Goodenough đã phát triển một cực âm mới bằng coban oxit, không chỉ có thể chứa các ion lithium mà còn cho điện áp cao hơn các loại pin trước đó. Tuy nhiên, pin lithium có thể sạc lại đã không đạt được chu kỳ sạc lại phù hợp cho mục đích sử dụng thương mại do sự hình thành dendrite lithium kim loại gây ra sự xâm nhập của giấy phân cách dẫn đến hỏng pin ngắn mạch. Năm 1985, Akira Yoshino đã phát triển một cực dương bằng than cốc, một vật liệu cacbon, có thể chứa các nguyên tử liti nhưng không tạo thành liti kim loại. Kể từ đó, pin lithium-ion thực sự đã được chế tạo với khả năng quay vòng tốt và mật độ năng lượng ổn định. Những loại pin này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện, ví dụ như thiết bị điện tử cầm tay, dụng cụ điện, robot và ô tô điện.
Hình 9a Các phản ứng điện cực sạc / xả của pin Li-ion và dòng ion và electron liên kết.
Hình 9b Cấu trúc tế bào vết thương xoắn ốc của tế bào Li-ion.
Hình 9-a là hình minh họa của pin sạc lại được lithium-ion, trong đó cả cực dương và cực âm đều hoạt động giống như giá sách, trong đó các nguyên tử / ion lithium là “sách” được chuyển đi quay lại giữa hai “giá sách” này trong quá trình sạc / các bước xả. Để đạt được nhiều mật độ năng lượng hơn và cung cấp năng lượng, pin lithium-ion được chế tạo với cấu trúc quấn xoắn ốc với nhiều lớp (-) bộ thu dòng / cực dương / bộ phân tách / cực âm / (+) cuộn dây với nhau tạo thành lõi tế bào (Hình 9-b ).
Thế hệ tiếp theo của pin Tiên tiến
Các loại pin sạc tiên tiến khác ngoài pin Li-ion đang được nghiên cứu và / hoặc phát triển. Chúng bao gồm pin lithium trạng thái rắn, pin Silicon anốt Li-ion, pin Li-sulphur (S8) và pin Li-air (O2), trong đó pin lithium trạng thái rắn và pin Si Li-ion sẽ được thương mại hóa trong vòng 5 năm tới. Đến lúc đó pin EV (Electric Vehicle) có thể kéo dài khoảng cách lái xe lên 50% đến 100%, tức là từ hiện tại 250 dặm (402 Km) sau mỗi lần sạc đến > 500 dặm (804 km).
Dòng oxy hóa khử pin để lưu trữ lưới
Đối với lưu trữ năng lượng lưới ôxy hóa khử dung lượng pin phải được đề cập. Như được trình bày trong Bảng 1, pin dòng oxy hóa khử là hệ thống “pin” duy nhất có thể cung cấp năng lượng như một bộ lưu trữ năng lượng theo mùa. Khác với các loại pin thông thường, nơi chứa năng lượng bên trong một tế bào kín, các chất phản ứng dòng oxy hóa khử, chất phân tích và catholyte, được lưu trữ trong các thùng riêng biệt. Các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong một tế bào nhỏ nối ống dẫn chất phân tích và thùng chứa catholyte với các máy bơm để luân chuyển chất điện phân lỏng trong quá trình phản ứng nạp / xả. Bằng cách đó, sức chứa của năng lượng không còn bị giới hạn bởi kích thước ô, thay vào đó là các bể chứa chất lỏng. Vì vậy, kích thước của bể chứa này quyết định tổng năng lượng trong hệ thống pin. Để thực hiện việc bù đắp cho sự gián đoạn cung cấp lưới điện trong thời gian dài, kích thước lớn của bể điện phân chỉ có thể được xây dựng. Hình 10 là minh họa về nguyên tắc hoạt động của pin dòng oxy hóa khử.
Hình 10 Cơ chế hoạt động của pin dòng oxy hóa khử. Năng lượng được lưu trữ trong các bể riêng biệt trong khi quá trình oxy hóa khử (khử và oxy hóa) điện cực xảy ra trong tế bào phản ứng.
Sưu tầm bởi Lithaco
Nguồn tham khảo:
- Pancaldi, Giuliano (2003). Volta, Khoa học và Văn hóa trong Thời đại Khai sáng. Đại học Princeton. Nhấn. ISBN 978-0-691-12226-7.
2.https://www.epa.gov/climate-indicators/printer-friendly-pdf-downloads-indicator-text-and figures
- Chi phí năng lượng được phân cấp, Nguồn: Lazard, Phân tích chi phí năng lượng được cấp hóa – Phiên bản 13.0
- Năng lượng tái tạo, BP https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy/renewable-energy.html
- Joule 3, 81–100, Ngày 16 tháng 1 năm 2019 ª 2018 Elsevier Inc.
- https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2020#prospects-for-electrification-in-transport- in-the-coming-decade
- Sổ tay Pin tái bản lần thứ 3, David Liden và Thomas B. Reddy, McGraw-Hill, chương 2, trang 2.4
- https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/
- Công nghệ pin Lithium, được chỉnh sửa bởi HV Venkatasetty, Wiley Interscience, trang 62.
- Bơm lưu trữ thủy điện: https://www.energy .gov / eere / water / Pump-Storage-Shui
- https://energyvault.com/
![Hệ thống quản lý [Pin Lithium] là gì?](https://dienxanheco.com/wp-content/uploads/2024/05/1-93-414x266-12.jpg "Hệ thống quản lý [Pin Lithium] là gì? 23")
