Nhật Bản phát triển pin hydro hoạt động ở 90°C, lưu trữ an toàn và hiệu quả hơn

Vì sao pin hydro hoạt động ở 90°C đáng chú ý vào thời điểm này

Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản vừa công bố một loại pin hydro có thể lưu trữ và giải phóng hydro ở khoảng 90°C, tương đương 194°F. Nhiệt độ hoạt động này thấp hơn nhiều so với mức 300–400°C thường cần đến ở các hệ thống lưu trữ hydro rắn sử dụng magie hydrua. Kết quả này giải quyết khâu khó khăn nhất trong hệ thống năng lượng hydro: lưu trữ đáng tin cậy, an toàn, hiệu quả và có thể đảo chiều. Nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Tokyo, do Tiến sĩ Takashi Hirose dẫn đầu cùng Trợ lý Giáo sư Naoki Matsui và Giáo sư Viện Ryoji Kanno thuộc Trung tâm Nghiên cứu Pin Toàn thể Rắn của Viện Khoa học Tokyo, công bố bước tiến này trên tạp chí Science ngày 18 tháng 9 năm 2025.

Hydro có thể truyền tải năng lượng qua thời gian và không gian mà không phát thải carbon dioxide tại nơi sử dụng. Tuy nhiên, lưu trữ hydro vẫn là một trở ngại dai dẳng. Các bình chứa khí nén vừa nặng vừa đắt, còn hydro lỏng cần nhiệt độ đông lạnh, gần âm 253°C. Một hệ thống lưu trữ rắn thiết thực, hoạt động gần điểm sôi của nước, sẽ làm thay đổi các lựa chọn thiết kế cho xe cộ, nhà máy công nghiệp và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo. Pin mới dùng magie hydrua làm vật liệu lưu trữ và một chất điện phân rắn đặc biệt dẫn ion hydrua, cho phép sạc-xả hết dung lượng ở nhiệt độ mà thiết bị thực tế có thể vận hành.

Thiết bị các nhà nghiên cứu chế tạo

Thiết bị là một pin điện hóa, trong đó hydro đóng vai trò chất mang điện tích chủ động. Magie hydrua, ký hiệu MgH2, làm điện cực âm, nơi hydro được lưu trữ. Khí hydro làm điện cực dương. Ở giữa là chất điện phân rắn mới được thiết kế, có khả năng dẫn ion hydrua rất nhanh ngay cả ở nhiệt độ phòng. Thành phần chất điện phân, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, có cấu trúc tinh thể kiểu anti alpha AgI, nổi tiếng với tính siêu ion, tạo điều kiện để ion hydrua di chuyển dễ dàng trong chất rắn.

Pin sạc và xả như thế nào

Khi sạc, điện cực âm giải phóng ion hydrua từ MgH2. Các ion này di chuyển qua chất điện phân rắn đến điện cực hydro, nơi chúng bị oxy hóa để tạo thành khí hydro. Khi xả, khí hydro ở điện cực dương bị khử thành ion hydrua. Các ion này đi ngược qua chất điện phân về phía điện cực âm, nơi chúng phản ứng với magie để tái tạo MgH2. Quá trình hoàn toàn thuận nghịch, nên cùng một vật liệu có thể lưu trữ rồi giải phóng hydro nhiều lần ở khoảng 90°C mà không cần dùng đến nhiệt độ cực cao.

Xét về điện hóa, pin này thay thế cách tiếp cận thông thường chỉ dựa vào electron bằng cơ chế trong đó hydro tham gia trực tiếp. Điện áp và dòng điện được cấp trong quá trình sạc, xả thúc đẩy ion hydrua di chuyển. Cách điều khiển này thay cho lượng nhiệt lớn cần thiết ở nhiều phương thức lưu trữ nhiệt, giúp giảm tổn thất năng lượng và đơn giản hóa thiết kế hệ thống.

Vì sao lưu trữ hydro khó

Các bình chứa hydro nén thường hoạt động ở áp suất 350–700 bar. Công nén làm giảm hiệu suất tổng thể, còn bình chứa làm tăng trọng lượng và chi phí khi sử dụng trên phương tiện. Hydro lỏng không cần bình lớn nhưng lại có những trở ngại riêng. Hydro phải được làm lạnh xuống dưới 21 K mới hóa lỏng, đòi hỏi thiết bị đông lạnh tiêu tốn nhiều năng lượng. Tổn thất do bay hơi vẫn là thách thức dai dẳng, đặc biệt trong môi trường ấm và khi sử dụng chậm.

Vật liệu rắn mở ra một hướng đi khác. Chúng có thể chứa hydro ở dạng gọn nhẹ, dưới áp suất thấp. Nhiều hydrua được nghiên cứu kỹ chỉ giải phóng hydro khi được đun nóng đến nhiệt độ rất cao. Nhiệt lượng cần thiết khiến hệ thống phức tạp và làm giảm hiệu suất chu trình khép kín. Các phương pháp điện hóa ở nhiệt độ thấp hơn, sử dụng chất điện phân lỏng, gặp khó khăn vì ion hydrua không di chuyển tốt trong các chất lỏng vốn được thiết kế cho pin lithium hoặc natri. Do đó, dung lượng đạt được thấp hơn nhiều so với mức vật liệu rắn có thể lưu trữ trên lý thuyết. Nhóm nghiên cứu Nhật Bản giải quyết nút thắt vận chuyển ion bằng cách chuyển sang một chất rắn được thiết kế để dẫn ion hydrua nhanh.

Bên trong chất điện phân rắn mới

Chất điện phân là vật liệu dẫn ion hydrua có khung cấu trúc kiểu anti alpha AgI. Trong cấu trúc này, bari, canxi và natri chiếm những vị trí tạo thành mạng lưới các điểm và kênh. Ion hydrua có thể dễ dàng di chuyển giữa các vị trí tứ diện và bát diện, tạo độ dẫn ion cao ngay cả ở nhiệt độ phòng. Khả năng di chuyển nhanh này giúp pin magie hydrua vận hành được ở 90°C.

Ngoài tốc độ, vật liệu còn có độ ổn định điện hóa. Chất điện phân rắn ngăn ngừa tình trạng hòa trộn và các phản ứng phụ thường gặp ở hệ thống lỏng. Lớp ngăn rắn cách ly điện cực hydro với magie hydrua nhưng vẫn cho ion hydrua đi qua. Cấu trúc này hỗ trợ sạc-xả lặp lại ổn định và giảm các rủi ro an toàn liên quan đến rò rỉ hoặc tính dễ bay hơi. Có thể điều chỉnh thành phần bằng cách thay đổi tỷ lệ bari, canxi và natri, mở ra hướng nghiên cứu nhằm cải thiện độ dẫn điện, độ ổn định và khả năng sản xuất.

Hiệu suất và ý nghĩa của các con số

Nguyên mẫu đạt toàn bộ dung lượng lưu trữ theo lý thuyết của magie hydrua, khoảng 2.030 miliampe giờ trên mỗi gram, tương đương 7,6% hydro theo khối lượng. Đây là mức chuẩn cao đối với một vật liệu lưu trữ hydro thực tiễn. Đạt được mức này trong một pin hoạt động gần 90°C đánh dấu bước tiến đáng kể, vì công nghệ kết hợp dung lượng cao với phạm vi vận hành khả thi về mặt kỹ thuật.

Mấu chốt là chất điện phân hỗ trợ ion hydrua di chuyển nhanh ở nhiệt độ phòng. Nhờ vậy, pin chỉ cần được gia nhiệt vừa phải để duy trì động học của magie hydrua mà không lãng phí năng lượng. Nhiệt độ hoạt động dưới 100°C giúp đơn giản hóa bộ gia nhiệt, lớp cách nhiệt, gioăng kín và biện pháp an toàn so với hệ thống cần đến vài trăm độ C. Nhiệt độ vận hành thấp hơn cũng giúp tích hợp nhiệt dễ dàng hơn. Nhiệt thải từ cụm pin nhiên liệu hoặc động cơ có thể giúp giữ pin lưu trữ trong phạm vi hoạt động.

Khả năng đảo chiều rất quan trọng trong ứng dụng thực tế. Nhóm nghiên cứu cho biết pin có thể lưu trữ và giải phóng hydro nhiều lần với toàn bộ dung lượng ở nhiệt độ thấp, điều mà các phương pháp nhiệt hoặc dùng chất điện phân lỏng trước đây chưa đạt được. Sự kết hợp giữa mật độ năng lượng cao, nhiệt độ thấp hơn và khả năng sạc-xả lặp lại ổn định giúp đưa ý tưởng này từ một phát hiện trong phòng thí nghiệm đến gần hơn với nền tảng mà các nhà phát triển có thể tích hợp vào xe cộ hoặc thiết bị lưu trữ cố định.

Ứng dụng tiềm năng, từ phương tiện đến lưu trữ điện lưới

Trên đường bộ, xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro cần hệ thống lưu trữ gọn, an toàn, nhẹ và hiệu quả. Một hệ thống lưu trữ rắn hoạt động gần điểm sôi của nước có thể giảm bớt sự phụ thuộc vào bình áp suất cao. Mô-đun pin hydro có thể được nạp tại trạm bằng cách hấp thụ hydro sản xuất tại chỗ, sau đó giải phóng khí theo nhu cầu để cấp cho cụm pin nhiên liệu. Thiết kế rắn có thể đảo chiều giúp giảm nhu cầu sử dụng hệ thống đông lạnh phức tạp hoặc bình áp suất rất cao, từ đó hạ chi phí và tăng khả năng bố trí trên ô tô, xe tải và xe buýt.

Trong ngành điện, pin hydro kết hợp tự nhiên với các nguồn năng lượng không liên tục. Điện mặt trời hoặc điện gió có thể vận hành máy điện phân để sản xuất hydro khi nguồn điện dồi dào. Pin hydro có thể hấp thụ và lưu trữ khí ở áp suất thấp, rồi giải phóng để cấp cho pin nhiên liệu hoặc tua-bin vào thời điểm nhu cầu cao hay khi sản lượng năng lượng tái tạo thấp. Phương thức này phù hợp với lưới điện vi mô, hệ thống độc lập và cơ sở ở vùng xa, nơi việc xây dựng các cụm bồn chứa cồng kềnh không khả thi.

Người dùng công nghiệp cần nguồn cung hydro ổn định và linh hoạt. Sản xuất thép, amoniac và hoạt động lọc dầu cần dòng cung cấp liên tục để quy trình ổn định. Cụm lưu trữ rắn dạng mô-đun có thể làm bộ đệm, hấp thụ những biến động ngắn hạn về nguồn cung và sản lượng. Nhiệt độ vận hành thấp hơn và kết cấu rắn có thể giúp bố trí thiết bị trong nhà máy đơn giản hơn, đồng thời giảm vướng mắc về cấp phép so với lưu trữ đông lạnh.

Thách thức về kỹ thuật và mở rộng quy mô

Duy trì nhiệt độ pin gần 90°C dễ hơn so với vận hành ở 300°C, nhưng vẫn cần quản lý nhiệt. Các nhà thiết kế phải bổ sung bộ gia nhiệt, lớp cách nhiệt và hệ thống điều khiển để giữ nhiệt độ trong điều kiện khí hậu lạnh, đồng thời ngăn quá nhiệt khi trời nóng. Cần xử lý cẩn thận các biến động nhiệt trong quá trình sạc và xả nhanh để vật liệu không bị nứt hoặc suy giảm chất lượng.

Vật liệu và quy trình sản xuất sẽ đóng vai trò quan trọng. Chất điện phân là hydrua đa thành phần, nhạy với oxy và độ ẩm. Việc tạo ra bột có đúng tỷ lượng, kích thước hạt và độ tinh khiết, sau đó định hình thành các lớp ngăn đặc, không khuyết tật, sẽ đòi hỏi môi trường được kiểm soát và quy trình kiểm soát chất lượng. Magie hydrua phản ứng với nước và oxy, vì vậy thiết kế cụm pin phải kín để ngăn không khí và hơi ẩm lọt vào. Độ bền cơ học trước những thay đổi thể tích trong quá trình sạc-xả cũng cần được thử nghiệm, bởi hydrua giãn nở rồi co lại. Các nhà phát triển sẽ nghiên cứu lớp phủ, chất kết dính và cách kiểm soát áp suất trong cụm pin để duy trì điện trở thấp và tuổi thọ cao.

Việc tích hợp hệ thống cũng đặt ra các yêu cầu an toàn hydro tiêu chuẩn. Thiết bị quản lý khí phải ngăn rò rỉ và xả khí an toàn. Cảm biến, van và bộ điều áp phải hoạt động đồng bộ với cụm lưu trữ rắn để toàn hệ thống đáp ứng quy chuẩn và tiêu chuẩn. Kích thước, trọng lượng và chi phí sẽ quyết định khả năng ứng dụng trên phương tiện. Với các ứng dụng cố định, hệ thống phụ trợ từ máy điện phân, pin nhiên liệu đến thiết bị điện tử công suất phải được tính toán để hiệu suất chu trình khép kín vượt trội so với các phương án khác. Các dự án thí điểm ở quy mô tăng dần sẽ rất cần thiết để làm rõ hiệu suất dài hạn và nhu cầu bảo trì.

So sánh với các phương án lưu trữ khác

Hệ thống khí nén có thiết kế đơn giản nhưng tiêu tốn năng lượng để nén và cần những bình chứa chắc chắn, nặng. Hydro lỏng có mật độ năng lượng cao nhưng đòi hỏi thiết bị đông lạnh và thao tác cẩn thận để tránh thất thoát do bay hơi. Pin hydro tạo ra một phương án đánh đổi khác: sử dụng nhiệt và điện ở mức vừa phải để di chuyển ion hydrua và lưu trữ hydro trong chất rắn có dung lượng cao. Không cần thiết bị đông lạnh hay bình chịu áp suất rất cao có thể giúp đơn giản hóa các yêu cầu an toàn và giảm tải phụ trợ.

Các vật liệu lưu trữ rắn khác, chẳng hạn hydrua phức như alanat hoặc borohydrua, thường cần chất xúc tác và vẫn hoạt động ở nhiệt độ cao, với động học chậm. Magie hydrua có trọng lượng nhẹ và nguồn cung dồi dào. Kết hợp vật liệu này với chất dẫn ion hydrua tốc độ cao giúp thay đổi bước giới hạn tốc độ. Chất điện phân đảm nhiệm việc vận chuyển ion, còn nhiệt độ vừa phải hỗ trợ các phản ứng hóa học giải phóng và hấp thụ hydro. Sự phân chia vai trò đó giúp đạt toàn bộ dung lượng ở nhiệt độ có thể kiểm soát.

Những điều cần theo dõi trong giai đoạn tiếp theo

Các cột mốc tiếp theo sẽ là việc kiểm chứng độc lập và mở rộng quy mô vượt ra ngoài những pin nhỏ trong phòng thí nghiệm. Pin và cụm pin cỡ lớn hơn cần chứng minh được dung lượng và khả năng đảo chiều tương tự, đồng thời vận hành ổn định qua hàng trăm hoặc hàng nghìn chu kỳ. Ngành công nghiệp sẽ theo dõi sát khả năng sạc-xả nhanh, phản ứng với chế độ bật-tắt và độ an toàn trong điều kiện vận hành bất thường.

Con đường thương mại hóa thường phụ thuộc vào các mối quan hệ hợp tác. Các hãng ô tô, nhà phát triển năng lượng và nhà cung cấp khí công nghiệp sẽ xem xét chi phí trên mỗi kilogram hydro lưu trữ, hiệu suất năng lượng của toàn hệ thống trong quá trình sạc và xả, cùng nhu cầu bảo trì. Nếu quy trình sản xuất chất điện phân và phần cứng của cụm pin được tiêu chuẩn hóa, đồng thời tuổi thọ chu kỳ được chứng minh là cao, công nghệ này có thể tiến tới các dự án triển khai thí điểm kết hợp máy điện phân, mô-đun pin hydro và pin nhiên liệu trong điều kiện thực tế.

Điểm chính

• Các nhà nghiên cứu Nhật Bản công bố pin hydro hoạt động ở khoảng 90°C, thấp hơn nhiều so với các hệ thống magie hydrua trước đây cần 300–400°C.
• Pin sử dụng magie hydrua làm điện cực âm, khí hydro làm điện cực dương và chất điện phân rắn dẫn ion hydrua nhanh.
• Chất điện phân Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 có cấu trúc kiểu anti alpha AgI, cho phép đạt độ dẫn ion cao ở nhiệt độ phòng.
• Thử nghiệm đạt dung lượng lý thuyết tối đa của magie hydrua, khoảng 2.030 mAh trên mỗi gram, tương đương 7,6% hydro theo khối lượng.
• Hoạt động dưới 100°C giúp giảm tổn thất năng lượng và đơn giản hóa việc quản lý nhiệt, gioăng kín và các biện pháp an toàn so với hệ thống cần nhiệt độ cao.
• Chu trình thuận nghịch có thể lưu trữ và giải phóng hydro nhiều lần mà không cần nhiệt độ cực cao như các phương pháp nhiệt truyền thống.
• Các ứng dụng tiềm năng gồm mô-đun lưu trữ trên phương tiện, lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện kết hợp với máy điện phân và bộ đệm cho công nghiệp.
• Các thách thức chính gồm quản lý nhiệt, bảo vệ khỏi không khí và độ ẩm, tuổi thọ chu kỳ, khả năng sản xuất và tích hợp hệ thống.
• Công trình do Tiến sĩ Takashi Hirose dẫn đầu, cùng Trợ lý Giáo sư Naoki Matsui và Giáo sư Viện Ryoji Kanno tại Viện Khoa học Tokyo.
• Kết quả được công bố trên tạp chí Science ngày 18 tháng 9 năm 2025; bước tiếp theo là kiểm chứng và thử nghiệm mở rộng quy mô.