Công nghiệp Tin tức

Science Made Simple: Pin là gì và hoạt động như thế nào?

2021-06-16

CHỦ ĐỀ:
Pin, Công nghệ, DOE, Năng lượng, Pin Li ion
Bởi CỤC NĂNG LƯỢNG Hoa Kỳ ngày 9 tháng 5 năm 2021



Pin và các thiết bị tương tự chấp nhận, lưu trữ và giải phóng điện theo yêu cầu. Pin sử dụng hóa học, dưới dạng tiềm năng hóa học, để lưu trữ năng lượng, giống như nhiều nguồn năng lượng hàng ngày khác. Ví dụ, các bản ghi lưu trữ năng lượng trong các liên kết hóa học của chúng cho đến khi đốt cháy chuyển đổi năng lượng thành nhiệt.

Xăng được lưu trữ năng lượng hóa học tiềm năng cho đến khi nó được chuyển đổi thành cơ năng trong động cơ ô tô. Tương tự, để pin hoạt động, điện năng phải được chuyển đổi thành dạng tiềm năng hóa học trước khi nó có thể được lưu trữ dễ dàng.

Pin bao gồm hai cực điện được gọi là cực âm và cực dương, được ngăn cách bởi một vật liệu hóa học gọi là chất điện phân. Để tiếp nhận và giải phóng năng lượng, pin được ghép nối với mạch bên ngoài. Các êlectron di chuyển trong mạch, đồng thời các ion (nguyên tử hoặc phân tử mang điện) di chuyển qua chất điện phân.

Trong pin sạc lại được, các electron và ion có thể di chuyển theo một trong hai hướng qua mạch và chất điện phân. Khi các điện tử di chuyển từ cực âm sang cực dương, chúng làm tăng thế năng hóa học, do đó có thể sạc pin; khi chúng chuyển động theo hướng khác, chúng chuyển đổi thế năng hóa học này thành điện năng trong mạch và phóng điện vào pin. Trong quá trình sạc hoặc xả, các ion mang điện trái dấu di chuyển bên trong pin qua chất điện phân để cân bằng điện tích của các electron di chuyển qua mạch bên ngoài và tạo ra một hệ thống bền vững, có thể sạc lại. Sau khi được sạc, pin có thể được ngắt khỏi mạch để lưu trữ thế năng hóa học để sử dụng sau này làm điện năng.

Pin được phát minh vào năm 1800, nhưng quá trình hóa học của chúng rất phức tạp. Các nhà khoa học đang sử dụng các công cụ mới để hiểu rõ hơn về các quá trình điện và hóa học trong pin nhằm tạo ra một thế hệ lưu trữ năng lượng điện hiệu quả cao mới. Ví dụ, họ đang phát triển các vật liệu cải tiến cho cực dương, cực âm và chất điện phân trong pin. Các nhà khoa học nghiên cứu các quá trình trong pin sạc lại được vì chúng không hoàn toàn đảo ngược khi pin được sạc và xả. Theo thời gian, việc thiếu sự đảo ngược hoàn toàn có thể thay đổi hóa học và cấu trúc của vật liệu pin, điều này có thể làm giảm hiệu suất và độ an toàn của pin.

Sự kiện lưu trữ năng lượng điện
. Giải Nobel Hóa học 2019 đã được trao chung cho John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino - vì sự phát triển của pin lithium-ion.
. Bộ gen điện phân tại JCESR đã tạo ra một cơ sở dữ liệu tính toán với hơn 26.000 phân tử có thể được sử dụng để tính toán các đặc tính chính của chất điện phân cho các loại pin mới, tiên tiến.

Văn phòng Khoa học & Lưu trữ Năng lượng Điện DOE
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE, Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản (BES) đã mang lại những cải tiến đáng kể trong việc lưu trữ năng lượng điện. Nhưng chúng ta vẫn còn xa các giải pháp toàn diện để lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo bằng cách sử dụng các vật liệu hoàn toàn mới có thể cải thiện đáng kể lượng năng lượng mà pin có thể lưu trữ. Việc lưu trữ này rất quan trọng để tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào nguồn cung cấp điện của chúng ta. Bởi vì cải tiến công nghệ pin là điều cần thiết để sử dụng rộng rãi các loại xe điện cắm điện, nên việc lưu trữ cũng là chìa khóa để giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào xăng dầu để vận chuyển.

BES hỗ trợ nghiên cứu của các nhà khoa học cá nhân và tại các trung tâm đa ngành. Trung tâm lớn nhất là Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ Năng lượng Chung (JCESR), một Trung tâm Đổi mới Năng lượng DOE. Trung tâm này nghiên cứu các vật liệu và hiện tượng điện hóa ở quy mô nguyên tử và phân tử và sử dụng máy tính để giúp thiết kế các vật liệu mới. Kiến thức mới này sẽ cho phép các nhà khoa học thiết kế bộ lưu trữ năng lượng an toàn hơn, kéo dài hơn, sạc nhanh hơn và có dung lượng lớn hơn. Khi các nhà khoa học được hỗ trợ bởi chương trình BES đạt được những tiến bộ mới trong khoa học pin, những tiến bộ này được các nhà nghiên cứu ứng dụng và ngành công nghiệp sử dụng để thúc đẩy các ứng dụng trong giao thông vận tải, lưới điện, thông tin liên lạc và an ninh.