AI cùng thử nghiệm tốc độ cao hé lộ giới hạn ổn định trong pin RFB
Kết quả nghiên cứu cung cấp cho cộng đồng pin toàn cầu sự hiểu biết sâu sắc hơn về các yếu tố chi phối sự ổn định trong pin dòng chảy oxy hóa khử hữu cơ
Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) vào các phương pháp thử nghiệm tốc độ cao giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu và khám phá khoa học. Ví dụ, chỉ trong 5 tháng, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã sử dụng robot, tự động hóa và AI để tiến hành hơn 6.000 thí nghiệm trên các chất hóa học trong một loại thiết bị lưu trữ năng lượng có thể sạc lại gọi là pin lưu trữ năng lượng điện hóa hữu cơ (RFB). Quá trình này sẽ mất từ 5-8 năm nếu sử dụng phương pháp thử nghiệm truyền thống.
Pin RFB hữu cơ sử dụng các phân tử gốc carbon – tức là hữu cơ – thay vì các ion kim loại truyền thống. Thông qua công trình nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phát hiện quan trọng về loại pin này: một rào cản cơ bản ở cấp độ phân tử giới hạn độ ổn định của chúng. Phát hiện này được kỳ vọng sẽ truyền cảm hứng cho những hướng nghiên cứu mới đầy thú vị trong lĩnh vực hóa học pin.
Lily Robertson – tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Nghiên cứu này sẽ không thể thực hiện được nếu không có các phương pháp tốc độ cao. Kết quả nghiên cứu cung cấp cho cộng đồng pin toàn cầu sự hiểu biết sâu sắc hơn về các yếu tố chi phối sự ổn định trong pin dòng chảy oxy hóa khử hữu cơ. Sự hiểu biết này mở ra cánh cửa cho các nhà phát triển pin hình dung lại cách công nghệ này có thể hỗ trợ hệ thống năng lượng.”.
Pin RFB lưu trữ năng lượng dạng lỏng thường bao gồm ba thành phần: dung môi lỏng, các phân tử tích điện và muối hỗ trợ. Các phân tử tích điện và muối được hòa tan trong dung môi, được chứa trong các bể chứa. Trong quá trình hoạt động, chất lỏng được bơm qua một cụm tế bào điện hóa, nơi các phân tử tích điện bị oxy hóa và khử. Các phản ứng này có thể tạo ra hoặc lưu trữ điện năng. Muối cung cấp độ dẫn điện và giúp duy trì sự phân bố điện tích tối ưu. Pin lưu trữ năng lượng dạng lỏng hữu cơ từ lâu đã được đề xuất như một giải pháp đầy hứa hẹn để cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng quy mô lớn nhằm tăng cường lưới điện. Không giống như hóa chất lithium-ion được sử dụng trong các công nghệ pin khác, các hợp chất được sử dụng trong pin lưu trữ năng lượng dạng lỏng hữu cơ rất dồi dào và rẻ tiền.
Điều này làm cho chúng có tiềm năng tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng quy mô để lưu trữ năng lượng trong thời gian dài. Ngoài ra, pin lưu trữ năng lượng dạng lỏng hữu cơ có thể hoạt động ở điện áp cao hơn so với pin lưu trữ năng lượng dạng lỏng được làm bằng vật liệu gốc nước. Điều này cho phép chúng tích trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một không gian.
Các nhà nghiên cứu đã tìm cách xác định chính xác các phản ứng hạn chế tuổi thọ của các phân tử tích điện. Họ đã sử dụng quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân để mô tả sự tiến hóa của các phân tử tích điện được gọi là methylphenothiazine (MPT) khi trộn với dung môi. Tiếp theo, họ đã xác định tốc độ phản ứng của MPT với nồng độ thấp của nhiều loại dung môi được chọn từ cơ sở dữ liệu hóa học, danh sách dung môi công nghiệp và danh mục thương mại.
Vì những vật liệu này nhạy cảm với oxy và độ ẩm, các nhà nghiên cứu đã thiết lập một robot xử lý chất lỏng trong buồng kín khí. Robot đã chuẩn bị hỗn hợp MPT-dung môi và sắp xếp chúng trên các vi đĩa, mỗi đĩa chứa 384 giếng. Hai máy đo quang phổ đọc đĩa theo dõi sự thay đổi màu sắc của các mẫu khi các phân tử tích điện phân hủy. Điều này cho thấy tốc độ phản ứng, được so sánh với tốc độ phản ứng liên quan đến một dung môi cơ bản. Các dung môi phản ứng chậm hơn sau đó được thử nghiệm ở nồng độ cao có và không có muối lỏng. Cuối cùng, chỉ có ba dung môi cho kết quả vượt trội hơn đáng kể so với dung môi cơ bản. Các thuật toán học máy đã hướng dẫn các lần thử nghiệm dựa trên phân tích dữ liệu thực nghiệm, loại bỏ các thí nghiệm không cần thiết. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu xác định đặc tính của 540 dung môi bằng cách chỉ lấy mẫu một phần ba trong số đó.
Trước nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc tìm kiếm các phân tử tích điện hữu cơ có độ bền cực cao cho pin lưu trữ năng lượng dòng chảy. Bằng cách chứng minh rằng đây có thể là một mục tiêu không thực tế, nghiên cứu này có khả năng khơi gợi những suy nghĩ mới về các hướng nghiên cứu mới và các chiến lược triển khai pin mới. Ví dụ, các dung môi ổn định nhất được phát hiện trong nghiên cứu có thể hoạt động tốt hơn trong các công nghệ pin như pin ion natri và pin kim loại lithi, vốn yêu cầu sự ổn định khi hoạt động ở điện áp cao. Ngoài ra, những hiểu biết từ nghiên cứu có thể khuyến khích sự phát triển các trường hợp sử dụng sáng tạo để làm cho pin lưu trữ năng lượng dòng chảy hữu cơ trở nên khả thi về mặt thương mại. Ví dụ, vật liệu hữu cơ có thể được sử dụng trong pin quy mô lưới điện trong một thời gian giới hạn và sau đó được tái sử dụng cho các ứng dụng khác, chẳng hạn như thuốc diệt cỏ nông nghiệp và vật liệu cho ngành công nghiệp hóa chất.
