Pin điện thoại thông minh thế hệ mới lấy cảm hứng từ... ruột người

Thiết kế mới khắc phục một trong những hạn chế kỹ thuật cốt lõi cản trở sự phát triển thương mại của pin lithium-lưu huỳnh bằng cách ngăn chặn sự xuống cấp của pin do tiêu hao vật liệu bên trong. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Advanced Functional Materials.

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Cambridge đã phối hợp với các cộng sự ở Viện Công nghệ Bắc Kinh để phát triển và thử nghiệm vật liệu cấu trúc nano nhẹ như lông tơ, những vị trí lỗi ra trông giống ngón tay nằm trong ruột non. Trong cơ thể con người, lông tơ được sử dụng để hấp thụ các sản phẩm của quá trình tiêu hóa và làm tăng diện tích bề mặt trên đó diễn ra quá trình này.

Trong pin lithium-lưu huỳnh mới, một lớp vật liệu có cấu trúc giống lông tơ được chế từ các dây oxit kẽm rất nhỏ và được đặt trên bề mặt của một trong những điện cực pin. Nhờ vậy, các mảnh vật liệu hoạt tính vẫn được giữ lại khi chúng vỡ ra nên tính chất điện hóa của vật liệu được duy trì và cho phép tái sử dụng vật liệu.

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.