Gần đây, nhóm nghiên cứu từ Viện Vật lý Hóa học Đại Liên (sau đây gọi tắt là "DICP"), Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã đạt được bước đột phá công nghệ lớn khi chế tạo thành công pin nguyên mẫu hydrua khí-rắn đầu tiên trên thế giới (sau đây gọi tắt là "pin khí-rắn") sử dụng khí hydro và kim loại làm điện cực. Pin này áp dụng chế độ "đồng lưu trữ hydro-điện", cho phép nạp bằng hydro và xả điện, cũng như nạp bằng điện và giải phóng hydro, cung cấp mô hình xác minh nguyên mẫu thực tiễn cho việc lưu trữ hydro hiệu quả ở điều kiện nhiệt độ và áp suất môi trường, đồng thời giải quyết thách thức cốt lõi tồn tại lâu dài trong lĩnh vực sử dụng năng lượng hydro.
Được biết, ion hydrua là trạng thái "giàu electron" của hydro. Với vai trò là hạt tải điện, chúng sở hữu các đặc tính nổi bật gồm hoạt tính cao và năng lượng cao, được coi là một trong những con đường then chốt để phát triển pin toàn rắn thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, ion hydrua cực kỳ không ổn định trong điều kiện tự nhiên, tính chất này khiến các nhà khoa học khó có thể ứng dụng trực tiếp chúng trong lưu trữ năng lượng điện hóa, tạo thành nút thắt cổ chai hạn chế sự phát triển của các công nghệ liên quan.
Để vượt qua nút thắt công nghệ này, nhóm nghiên cứu DICP đã thiết kế sáng tạo một hệ thống sử dụng kim loại magiê và khí hydro lần lượt làm vật liệu hoạt tính cực dương và cực âm, lắp ráp thành công pin ion hydrua khí-rắn đầu tiên trên thế giới có khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ rộng. Ưu điểm cốt lõi của pin này nằm ở chỗ cho phép ion hydrua cung cấp năng lượng cao cho pin, đồng thời đạt được sự tích hợp khéo léo với lưu trữ hydro điện hóa: khi xả, khí hydro bị khử thành ion hydrua tại cực âm, trong khi kim loại bị oxy hóa thành cation tại cực dương để tạo thành hydrua kim loại; khi nạp, hai điện cực lần lượt giải phóng phân tử hydro và tái tạo kim loại, thực sự hiện thực hóa hiệu ứng hiệp đồng giữa nạp/xả điện và lưu trữ/giải phóng hydro.
Dữ liệu thực nghiệm cho thấy pin khí-rắn thể hiện hiệu suất xuất sắc: ở trạng thái nạp hydro, dung lượng xả ban đầu đạt tới 1.526 mAh/g; khi áp dụng điện áp 0,3 V, khoảng 6,0 wt% hydro (tính theo MgH₂ trong điện cực) có thể được giải phóng ở nhiệt độ phòng; sau 60 chu kỳ, tỷ lệ duy trì dung lượng vẫn vượt 70%, và pin có thể hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ rộng từ -20°C đến 90°C. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã xếp chồng 10 pin đơn thành bộ pin nối tiếp với điện áp đầu ra vượt quá 2,4 V, thắp sáng thành công bóng đèn LED, đánh dấu sự ra mắt chính thức của pin nguyên mẫu hydrua ion thể khí-rắn. Phân tích hiệu suất năng lượng cho thấy hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống "đồng lưu trữ hydro-điện" này có thể đạt 93,9%, cải thiện một phần ba so với phương pháp lưu trữ hydro nhiệt truyền thống.
Thành tựu nguyên bản này có ý nghĩa to lớn, cung cấp một lộ trình kỹ thuật hoàn toàn mới để giải quyết thách thức lưu trữ hydro đã tồn tại trong lĩnh vực sử dụng năng lượng hydro hơn nửa thế kỷ. Nó loại bỏ hoàn toàn các điều kiện khắc nghiệt mà phương pháp lưu trữ hydro truyền thống yêu cầu, như áp suất cao (700 atm) hoặc nhiệt độ cực thấp (-253°C), và được kỳ vọng sẽ tạo ra các công nghệ lưu trữ hydro kiểu mới, xóa bỏ những trở ngại then chốt cho sự phát triển quy mô lớn của ngành công nghiệp năng lượng hydro.
Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu DICP cho biết sẽ tiếp tục tập trung vào các đột phá công nghệ cốt lõi, dồn lực nghiên cứu phát triển vào các chất dẫn ion hydrua và vật liệu điện cực có hiệu suất cao hơn, liên tục cải thiện hiệu suất tổng thể của pin, phát triển các công nghệ cốt lõi độc quyền, đẩy nhanh ứng dụng thực tế của pin ion hydrua, và tiếp thêm động lực mới cho sự phát triển chất lượng cao của ngành công nghiệp năng lượng hydro toàn cầu.
