Chuyển đổi năng lượng điện hóa là một lĩnh vực công nghệ năng lượng liên quan đến các phương pháp chuyển đổi năng lượng bao gồm các loại pin điện hóa, pin nhiên liệu, pin quang điện hóa.
Pin điện hóa hay còn gọi là pin Gan-va-ni hoặc pin Vôn-ta là tế bào điện hóa lấy năng lượng điện từ các phản ứng oxy hóa khử tự phát diễn ra trong tế bào. Cấu tạo thường gồm hai kim loại có thế oxy hóa khử khác nhau được nối với nhau bằng cầu nối muối, hoặc được ngăn cách nhau bởi một màng ngăn xốp. Các electron được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Tại cực âm, cation kim loại bị khử, nhận electron, tạo thành dòng di chuyển khép kín của electron và do đó tạo ra dòng điện một chiều. Pin điện hóa có hai loại là pin dùng một lần và pin dùng lại nhiều lần. Pin phổ biến và xuất hiện nhiều nhất ngày nay là pin lithium, có hiệu suất cao và tuổi thọ dài. Pin nhiên liệu là tế bào điện hóa biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu (ví dụ hydro) trực tiếp thành năng lượng điện. Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu và chất oxy hóa (oxy) được đưa từ ngoài vào. Pin nhiên liệu gồm ba lớp: điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp chất điện ly dẫn ion và điện cực ôxy (cực âm). Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì,...). Tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu, chất điện phân được dùng có thể ở thể rắn, thể lỏng hoặc có cấu trúc màng. Pin nhiên liệu có nguyên lý hoạt động như sau: ở bề mặt cực dương, khí hiđrô bị ôxy hóa 2H2 ® 4H+ + 4e-; các electron được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm; các proton (H+) di chuyển trong chất điện ly xuyên qua màng (có khả năng chỉ cho proton đi qua) về cực âm kết hợp với khí ôxy có sẵn trong không khí và các điện tử tạo thành nước
O2 + 4H+ + 4 e- ® 2H2O.
Pin quang điện hóa là hệ điện hóa có khả năng tích trữ năng lượng Mặt trời thành dạng năng lượng hóa học để tái sử dụng. Pin quang hóa thực chất là một hệ điện hóa kép có cấu tạo gồm hệ quang điện phân và hệ pin điện hóa thông thường. Hệ quang điện phân chuyển hóa và tích trữ quang năng thành hóa năng, có cấu tạo là một hệ điện hóa, gồm hai điện cực đặt trong dung dịch điện giải nhất định. Hai điện cực được làm bằng các vật liệu bán dẫn. Điện cực dương làm bằng vật liệu bán dẫn loại n, điện cực âm làm bằng bán dẫn loại p, được nối với nhau bằng một mạch điện ngoài. Khi chiếu ánh sáng lên hai điện cực, sẽ xảy ra hiện tượng quang điện. Kết quả là các điện tử sẽ bị bứt ra khỏi điện cực dương và chuyển dời đến điện cực âm sinh ra dòng điện. Tại một mức điện áp nhất định, trên các điện cực sẽ xảy ra phản ứng điện phân, sinh ra các hóa chất giàu năng lượng có vai trò tích lũy năng lượng. Các hóa chất giàu năng lượng sau khi được sinh ra từ hệ quang điện phân sẽ tái giải phóng năng lượng trong hệ pin điện hóa. Tại đây các hóa chất này sẽ tham gia phản ứng oxy hóa - khử trên các điện cực và chuyển hóa thành điện năng ở mạch ngoài. Các pin điện hóa được sản xuất cho các thiết bị như đồng hồ đeo tay, máy tính xách tay. Pin nhiên liệu còn được dùng trong lĩnh vực du hành vũ trụ, tàu thuyền, trong các loại xe ô tô điện. Pin quang điện hóa ứng dụng trong lĩnh vực xe ô tô điện, phân tách khí hydro và oxy từ nước, loại bỏ các chất ô nhiễm ra khỏi nước.
Tài liệu tham khảo[sửa]
- Lê Quốc Hùng, Phan Thị Bình, Điện hóa học nâng cao, Nxb. Khoa học và Công nghệ, Hà Nội, 2016.
- Lide D. R., CRC handbook of chemistry and physics (89th edition). CRC Press, 2008.
- Liu R. S., Zhang L., Sun X., Liu H., Zhang J., Electrochemical Technologies for Energy Storage and Conversion, Wiley-VCH, 2012.
- Thomas P., Crompton J., Battery Reference Book, 3rd Edition, Newnes. p. Glossary, 2000
