Trong năm 2021, có vẻ như các nhà khoa học đã phần nào tìm ra cách để giải quyết vấn đề nan giải này.
Pin là loại thiết bị được dùng để lưu trữ năng lượng. Các thiết bị điện thay vì sử dụng nguồn điện sẽ dùng năng lượng từ pin, giúp chúng có thể hoạt động như mong muốn. Tuy nhiên, pin dù là tốt thế nào đi nữa cũng sẽ có thời lượng sử dụng thường ngắn. Một số loại pin khi dùng hết năng lượng sẽ được sạc lại, một số khác thì phải vứt bỏ để thay cái mới.
Ngày nay, hầu hết các thiết bị và động cơ điện đều chạy bằng pin lithium-ion, là loại pin sạc được. Chúng ta có thể thấy loại pin này được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như sử dụng cho máy tính cá nhân, điện thoại, đồ chơi điện tử, xe điện và nhiều loại thiết bị điện khác. Đã từ lâu các nhà khoa học luôn đau đáu một câu hỏi là làm thế nào để kéo dài thời lượng của pin.
Từ trước đến nay các kỹ sư không ngừng cố gắng cải thiện các đặc điểm của pin nhằm tăng thời lượng khi thử nghiệm với các vật liệu hoặc cấu trúc mới. Tuy nhiên, một số nghiên cứu mới nhất trong năm 2021 đã khiến cả thế giới phải ngạc nhiên với tư duy lạc quan và những ý tưởng khác thường. Chúng ta hãy xem đó là những tư duy đột phá gì.
Một vật liệu mang tính cách mạng để sạc cực nhanh
Một trong những cách đầy hứa hẹn để tăng tốc độ sạc của pin là đưa vào các điện cực có cấu trúc xốp - nó sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc với chất điện phân lỏng và tạo điều kiện cho các ion lithium đi qua. Vào tháng 11, một nhóm nghiên cứu từ Hà Lan đã giới thiệu một cực dương coban niobate (điện cực tích điện âm) có cấu trúc tinh thể "mở" và đều với các kênh giống hệt nhau để mang dòng điện.
Các nhà khoa học đã tạo ra một nguyên mẫu pin từ vật liệu mới và trong quá trình thí nghiệm, họ phát hiện ra rằng nó sạc nhanh hơn 10 lần so với các loại pin lithium-ion khác. Ngoài ra, coban niobate đã được chứng minh là đáng tin cậy hơn các cấu trúc xốp khác với các kênh ngẫu nhiên và vô tổ chức có thể làm hỏng cấu trúc. Nó cũng có mật độ khối cao hơn so với than chì, vật liệu chính cho các cực dương hiện đại. Rất có thể trong tương lai, nhờ coban niobate, pin sẽ trở nên nhẹ và nhỏ gọn hơn.
Làm sống lại các hạt lithium "đã chết"
Với pin đang hoạt động, trong chu kỳ sạc và sạc lại, các ion liti di chuyển giữa hai điện cực với mỗi chu kỳ phóng điện - điện tích, nhưng một số hạt không thể phá vỡ chất điện phân và mất các đặc tính điện hóa của chúng. Theo thời gian, các cục lithium không hoạt động xuất hiện bên trong, gọi là các hạt lithium “chết”, do đó hiệu suất của bộ lưu trữ năng lượng giảm dần, dung lượng cũng giảm đáng kể và hỏa hoạn có thể xảy ra.
Như các nhà nghiên cứu đã nhấn mạnh, các cục lithium "chết" đối với thế hệ cấu trúc kim loại lithium tiếp theo có thể chứa năng lượng gấp 10 lần. Khám phá này của họ có thể là một bước đột phá cho việc tạo ra các loại pin cải tiến.
Pin an toàn kiểu bánh Sandwich
Pin kim loại Lithium có tiềm năng cao do dung lượng và mật độ năng lượng cao hơn so với than chì hoặc đồng. Một nhà khoa học từ Đại học Harvard (Mỹ) đã đề xuất một thiết kế bánh sandwich có thể đảm bảo vấn đề về độ ổn định của các loại pin tương lai. Nhược điểm chính của các cấu trúc kim loại lithium là các vết lồi lõm được gọi là đuôi gai phát sinh trong quá trình sạc, chúng có nguy cơ làm giảm hiệu suất, hỏng hóc hoặc cháy nổ.
Các nhà khoa học Mỹ đã quyết định thay chất điện phân lỏng bằng hai tấm sứ đặc, giữa đó có các "thành phần" còn lại. Nhờ kiến trúc này, pin loại bỏ các khoảng trống do các đuôi gai tạo ra. Trong quá trình thử nghiệm, nguyên mẫu vẫn giữ được 82% dung lượng sau 10.000 chu kỳ sạc lại, đồng thời cho thấy mật độ dòng điện cao mà xe điện được sạc trong khoảng 20 phút.
Pin làm bằng gỗ
Một nhóm các nhà khoa học khác từ Hoa Kỳ đã đề xuất sử dụng chất điện phân rắn làm từ xenluloza chiết xuất từ gỗ dưới dạng các ống polyme gọi là sợi nano trong pin kim loại lithium.
Khi kết hợp với đồng, chúng tạo thành chất dẫn ion ổn định với các lỗ nhỏ giữa các chuỗi polyme hoạt động như "siêu xa lộ ion", cho phép các ion liti di chuyển với hiệu suất kỷ lục. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này cung cấp độ dẫn điện gấp 10 đến 100 lần so với các chất dẫn điện polyme khác. Do tính linh hoạt cao, sợi nano xenlulo có thể chịu tải tốt theo chu kỳ.
Clo thay cho pin Lithium
Alkaline-clo đã xuất hiện từ những năm 1970 và cung cấp mật độ năng lượng cao, nhưng hoạt tính cao của clo trước đây khiến việc sử dụng nhiều lần trở nên khó khăn. Các nhà khoa học tại Đại học Stanford gần đây đã tìm ra cách ổn định các phản ứng hóa học để làm cho pin clo có thể tái sử dụng và có thể sạc lại được.
Họ đã tạo ra một điện cực bằng carbon xốp có khả năng hấp thụ các phân tử clo không ổn định và chuyển chúng thành natri clorua một cách an toàn, ở dạng ban đầu trước khi thải ra ngoài. Pin nguyên mẫu giúp nó có thể lặp lại chu kỳ tới 200 lần và cho thấy mật độ năng lượng cao hơn khoảng 6 lần so với pin lithium-ion.
Điện cực siêu mỏng giúp dẫn điện tốt hơn
Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã tìm ra giải pháp mới dưới dạng các dải liti rất mỏng, rộng khoảng 20 micron, mỏng hơn nhiều sợi tóc người. Họ bắt đầu cải tiến cái gọi là giao diện chất điện phân rắn - một màng mỏng trên cực dương kiểm soát sự xâm nhập của các phân tử vào chất điện phân.
Các dải lithium siêu mỏng cho thấy sự tương tác tốt hơn với chất điện phân so với các cực dương dày hơn, ngăn chặn các phản ứng điện hóa
Vật liệu linh hoạt để tự động "xử lý" pin
Vào tháng 3, các nhà khoa học đã trình bày một loại pin khác thường dựa trên điện cực "bán rắn" làm bằng hợp kim natri-kali. Nó giống với các vật liệu dùng để trám răng - lúc đầu chúng ở dạng lỏng và dẻo, sau đó chúng cứng lại.
Khi một vật liệu dễ uốn mới tiếp xúc với một chất điện phân cứng nhưng giòn, nó sẽ ngăn ngừa nứt và lấp đầy các khu vực bị hư hỏng. Nó cũng ngăn không cho các đuôi gai xuất hiện, đồng thời cung cấp mật độ dòng điện gấp 20 lần so với các loại pin thể rắn khác. Điều này có khả năng tăng tốc độ sạc đáng kể.
Chắc chắn sẽ còn mất một thời gian nữa trước khi các giải pháp nói ở trên hoàn thiện về mặt kỹ thuật để có thể sản xuất với số lượng lớn pin đời mới, lắp đặt trong các loại ô tô điện, máy tính bảng, điện thoại di động... Hy vọng rằng các nhà khoa học không bắt chúng ta phải chờ lâu.
VietBF @ Sưu tầm
