Các nhà khoa học đã phát triển một mẫu pin mới lấy cảm hứng từ cấu trúc ruột người. Kỹ thuật này sẽ giúp tạo ra nguồn cung cấp năng lượng rất lớn cho các thiết bị kĩ thuật số trong tương lai.

Các mẫu thử nghiệm pin ban đầu đã có thể giúp dự trữ lượng năng lượng lớn gấp 5 lần so với pin lithium-ion mà chúng ta thường sử dụng trong các loại điện thoại thông minh và máy tính xách tay.

Nghiên cứu này được tiến hành bởi các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Cambridge ở Anh. Họ đã khắc phục được nhược điểm lớn nhất của pin lithium-lưu huỳnh. Đó chính là đặc điểm chúng có khả năng chứa được nhiều năng lượng hơn pin lithium-ion nhưng lại không giữ được lâu lượng năng lượng này.

Khi một pin lithium-lưu huỳnh phóng thích năng lượng, lưu huỳnh ở catot (điện cực dương) hấp thụ lithium từ anot (điện cực âm). Sự tương tác này khiến cho các phân tử lưu huỳnh biến đổi thành cấu trúc chuỗi được gọi là poly-sulfua.

Sau khi pin trải qua nhiều chu kỳ thu và xả năng lượng, cực âm sẽ bị hao mòn, dẫn đến những chuỗi poly poly-sulfua bị phá hủy và kết nối hai điện cực của pin lại với nhau.

Pin bat chuoc ruot nguoi giup tang 5 lan kha nang chua nang luong - Anh 1

Ảnh chụp bên trong của pin. Nguồn ảnh: shutterstock

Khi điều này xảy ra, pin bắt đầu suy giảm khả năng lưu trữ điện năng cũng như mất đi năng lượng rất nhanh.

Và các nhà khoa học đã nảy ra ý tưởng tạo ra các viên pin có cấu trúc giống như ruột người.

Trong cơ thể con người, ruột non của chúng ta được lót bằng hàng triệu bộ phận nhỏ nhô ra có hình dạng giống ngón tay gọi là nhung mao. Những chỗ lồi lõm trong thành ruột giúp chúng ta hấp thụ các chất dinh dưỡng trong quá trình tiêu hóa.

Khi thiết kế cấu trúc bên trong của viên pin cũng lồi lõm như vậy, các nhà khoa học sẽ làm tăng đáng kể diện tích bề mặt bên trong lên đến khoảng 30 lần.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại vật liệu cấu trúc nano siêu nhẹ giống như lông nhung. Vì vậy khi các poly-sulfua bị vỡ ra, chúng sẽ bị những cấu trúc lông nhung lồi lõm giữ lại và từ đó không bị hòa tan trong chất điện phân.Pin lithium-ion thông dụng được chế tạo từ 3 thành phần riêng biệt: cực dương (điện cực âm), cực âm (điện cực dương) và chất điện phân ở giữa. Các vật liệu phổ biến nhất được sử dụng cho cực dương và cực âm, tương ứng là than chì và oxit cobalt lithium, cả hai đều có cấu trúc đa lớp. Các ion lithium tích điện dương di chuyển xuôi-ngược từ cực âm qua chất điện phân đến cực dương.

Cấu trúc tinh thể của vật liệu điện cực xác định mức năng lượng có thể được nén vào pin. Ví dụ, do ảnh hưởng của cấu trúc nguyên tử, nên mỗi nguyên tử cacbon có thể mất 6 ion lithium, làm hạn chế công suất tối đa của pin.

Sulphur và lithium phản ứng theo cách khác nhau thông qua cơ chế chuyển đa electron, nghĩa là nguyên tố lưu huỳnh có thể mang lại công suất lý thuyết cao hơn nhiều, dẫn đến sự ra đời của pin lithium-lưu huỳnh có mật độ năng lượng cao hơn nhiều. Tuy nhiên, khi pin phóng điện, lithium và lưu huỳnh tương tác và các phân tử lưu huỳnh hình vòng biến đổi thành các cấu trúc giống chuỗi gọi là poly-sulfua. Khi pin trải qua nhiều chu kỳ sạc - xả sạc, một lượng nhỏ poly-sunfua có thể đi vào chất điện phân và theo thời gian, pin mất dần vật liệu hoạt tính.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một lớp chức năng nằm phía trên cực âm và cố định vật liệu hoạt tính vào một khung dẫn điện để có thể tái sử dụng vật liệu hoạt tính. Lớp chức năng được làm từ các dây nano oxit kẽm một chiều rất nhỏ gắn trên một giá đỡ. Sau đó, các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm với sự hỗ trợ của xốp niken thương mại. Khi kết quả nghiên cứu thành công, xốp được thay thế bằng một tấm sợi cacbon nhẹ, làm giảm tổng trọng lượng của pin.Lớp chức năng giống như lông tơ trong ruột, có diện tích bề mặt rộng. Vật liệu này có liên kết hóa học rất mạnh với poly-sulfua, cho phép sử dụng vật liệu hoạt tính lâu hơn, làm tăng tuổi thọ của pin.

Teng Zhao, trưởng nhóm nghiên cứu cho rằng: "Đây là lần đầu tiên một lớp chức năng hóa học với cấu trúc nano sắp xếp ngăn nắp, được đề xuất sử dụng để giữ lại và tái sử dụng các vật liệu hoạt tính hòa tan trong quá trình sạc và xả sạc của pin. Lấy cảm hứng từ thế giới tự nhiên, chúng tôi có thể đưa ra giải pháp thúc đẩy sự phát triển của pin thế hệ mới".

Tạm thời, thiết bị vẫn trong giai đoạn chứng minh khái niệm, do đó, sẽ phải mất vài năm nữa pin lithium-lưu huỳnh mới có thể được thương mại hóa. Ngoài ra, dù số lần sạc và xả sạc của pin đã được cải thiện, nhưng pin vẫn không thể trải qua nhiều chu kỳ sạc bằng pin lithium-ion. Tuy nhiên, vì pin lithium-lưu huỳnh không cần sạc thường xuyên như pin lithium-ion, nên đây là trường hợp sự gia tăng mật độ năng lượng làm giảm tổng số chu kỳ sạc và xả sạc.

Phan Thanh (reddit)