Chip pin nhiên liệu đã được khai sáng

Tại Đại học Harvard, các nhà nghiên cứu vừa trình diễn một vi mạch đặc biệt, chứa tới 145 pin nhiên liệu ô-xít rắn, mở ra hướng thay thế những loại pin nhỏ thường dùng trong nhiều thiết bị. Công nghệ này được gọi là chip pin nhiên liệu, hay “Fuel cells on-a-chip”, bởi những tế bào tạo năng lượng được thu nhỏ, sắp xếp trực tiếp trên một vi mạch duy nhất. Thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào các pin nhỏ truyền thống, thiết kế mới hướng tới việc đưa nguồn năng lượng hiệu quả hơn vào những thiết bị có kích thước hạn chế. Nhóm nghiên cứu tại Harvard do giáo sư Shriram Ramanathan cùng nghiên cứu sinh dẫn dắt, tập trung phát triển các tế bào pin nhiên liệu ô-xít rắn dạng màng mỏng. Trong giai đoạn trước, nhóm từng chứng minh khái niệm màng mỏng của pin nhiên liệu ô-xít rắn, nhưng cấu trúc khi đó chỉ đạt kích thước rất nhỏ, phù hợp mục tiêu thay thế pin nhỏ. Kết quả mới đáng chú ý vì các nhà khoa học đã chứng minh công nghệ không chỉ hoạt động trong quy mô thí nghiệm cực nhỏ, mà còn có thể được mở rộng trên chip lớn hơn. Để thực hiện bước tiến này, nhóm Harvard phối hợp với SiEnergy Systems LLC, một công ty thuộc Allied Minds đặt tại Boston, nhằm phát triển khả năng chế tạo chip pin nhiên liệu quy mô lớn. Sự hợp tác giúp các nhà nghiên cứu kiểm tra liệu những cấu trúc màng mỏng từng hoạt động ở kích thước nhỏ có thể duy trì hiệu năng khi diện tích chip được mở rộng hay không. Kết quả cho thấy câu trả lời là có, khi nhóm chế tạo được các màng mỏng với độ dày chỉ 100 nanomet trên những chip có diện tích lớn hơn đáng kể. Trong quá trình mở rộng, bề rộng của các chip tăng từ 100 micron lên 5 millimet, một thay đổi quan trọng đối với mục tiêu đưa công nghệ ra khỏi phạm vi trình diễn ban đầu. Các chip pin nhiên liệu này đạt mật độ năng lượng khoảng 155 mW/cm vuông, với điều kiện vận hành ở nhiệt độ 510 độ C, theo thông tin từ nghiên cứu. Con số trên cho thấy những tế bào cực nhỏ vẫn có thể tạo ra mức năng lượng đáng kể, dù toàn bộ hệ thống được tích hợp trên một nền vi mạch compact. Pin nhiên liệu ô-xít rắn tạo điện thông qua các phản ứng điện hóa, thay vì lưu trữ năng lượng theo cách quen thuộc của pin nhỏ thông thường. Việc đưa nhiều tế bào lên cùng một chip giúp nhóm nghiên cứu tạo ra một hệ thống tích hợp, trong đó 145 pin nhiên liệu cùng hiện diện trên diện tích rất hạn chế. Cách tiếp cận này đặc biệt đáng chú ý với các thiết bị cần nguồn năng lượng nhỏ gọn, bởi kích thước của bộ pin thường giới hạn thiết kế và thời gian hoạt động. Tuy nhiên, công nghệ vẫn vận hành ở 510 độ C, vì vậy việc kiểm soát nhiệt độ và tích hợp an toàn sẽ là những vấn đề quan trọng trong các bước phát triển tiếp theo. Nhóm nghiên cứu dự kiến chế tạo các cực dương theo kiến trúc nano, còn gọi là nanostructured anodes, nhằm sử dụng nhiên liệu thay thế cho hy-đrô. Hướng phát triển này có thể giúp hệ thống bớt phụ thuộc vào việc cung cấp hy-đrô tinh khiết, đồng thời mở rộng lựa chọn nhiên liệu cho các ứng dụng tương lai. Bên cạnh đó, các nhà khoa học còn lên kế hoạch phát triển những điện cực có kiến trúc micro, được gọi là microstructured electrodes, để tiếp tục thu nhỏ pin nhiên liệu. Mục tiêu cuối cùng vẫn là tạo ra các pin nhiên liệu có kích thước rất nhỏ, đủ khả năng thay thế những loại pin nhỏ đang được sử dụng trong nhiều thiết bị. Dự án nhận kinh phí từ NSF, tức National Science Foundation, cùng trung tâm Nanoscale Systems của Đại học Harvard. Trung tâm này là thành viên về hạ tầng mạng công nghệ nano của Mỹ, mang tên National Nanotechnology Infrastructure Network thuộc NSF. Việc chế tạo thành công chip chứa 145 pin nhiên liệu đánh dấu bước tiến từ chứng minh nguyên lý sang mở rộng cấu trúc, dù công nghệ còn cần thêm nghiên cứu trước khi ứng dụng rộng rãi.