Công nghệ nano giúp pin sạc nhanh nhưng xài lâu

Pin lithium-ion, thường gọi là Li-ion, cùng pin nickel metal hydride, viết tắt NiMH, đang hiện diện trong nhiều thiết bị quen thuộc quanh chúng ta. Nhóm pin này có ưu điểm lưu trữ năng lượng, nhưng thường nhanh xuống cấp khi phải liên tục sạc và phóng điện với tốc độ cao. Nghịch lý nằm ở chỗ người dùng muốn thiết bị nạp điện nhanh, trong khi chính quá trình vận hành nhanh lại có thể làm giảm tuổi thọ của pin. Các nhà khoa học Mỹ tập trung giải quyết mâu thuẫn giữa tốc độ sạc, khả năng tích điện và độ bền trong quá trình sử dụng. Một hướng tiếp cận là chế tạo hoạt chất của pin dưới dạng những tấm phim mỏng, vốn cho phép các quá trình sạc và phóng điện diễn ra rất nhanh. Tuy nhiên, cấu trúc phim mỏng gần như không lưu giữ được điện tích, bởi vật liệu này thiếu không gian phù hợp để chứa năng lượng. Từ hạn chế đó, giáo sư Paul Braun cùng các cộng sự tại Đại học Illinois bắt đầu nghiên cứu một thiết kế cực âm hoàn toàn khác. Thay vì giữ vật liệu ở dạng tấm phẳng đơn giản, nhóm nghiên cứu gấp tấm phim mỏng thành một cấu trúc không gian ba chiều. Cách sắp xếp này mở rộng khả năng tiếp nhận dòng điện, đồng thời tạo thêm điều kiện để vật liệu lưu trữ lượng năng lượng đáng kể. Cấu trúc nano 3 chiều của cực âm được phát triển nhằm đáp ứng đồng thời hai yêu cầu vốn thường khó đạt được trong cùng một loại pin. Yêu cầu thứ nhất là khả năng tích điện cao, giúp pin giữ được nhiều năng lượng hơn sau mỗi lần sạc đầy. Yêu cầu thứ hai là dòng điện lớn, cho phép năng lượng đi vào hoặc đi ra nhanh mà không khiến hiệu suất lưu trữ bị hao phí đáng kể. Trong thiết kế mới, các đặc tính có lợi của phim mỏng vẫn được duy trì, nhưng nhược điểm về không gian lưu trữ được khắc phục. Những lớp vật liệu được tổ chức thành hình dạng ba chiều, tạo nên một hệ thống cực âm vừa gọn vừa có nhiều bề mặt hoạt động. Nhờ vậy, pin có thể tiếp nhận năng lượng nhanh hơn mà vẫn giữ được lượng điện tích cần thiết cho thời gian sử dụng lâu dài. Kết quả thử nghiệm cho thấy các điện cực trong loại pin này có thể sạc hoặc phóng điện chỉ trong vài giây. Tốc độ đó nhanh hơn từ 10 đến 100 lần so với những điện cực có kích cỡ tương tự đang được sử dụng trong các loại pin hiện nay. Con số này cho thấy cấu trúc nano không chỉ là thay đổi về hình học, mà còn tạo khác biệt rõ rệt trong hiệu suất vận hành của điện cực. Nếu được phát triển phù hợp, công nghệ này có thể phục vụ những thiết bị điện tử gia dụng vốn thường khiến người dùng phải chờ lâu trong lúc sạc. Một loại pin vừa chứa nhiều năng lượng, vừa nạp nhanh, vừa sử dụng lâu sẽ đặc biệt hữu ích khi thiết bị cần hoạt động liên tục. Khả năng rút ngắn thời gian chờ cũng mở ra triển vọng cải thiện trải nghiệm sử dụng trong nhiều tình huống sinh hoạt hằng ngày. Phạm vi ứng dụng của công nghệ không dừng ở các thiết bị điện tử tiêu dùng, bởi pin mới còn phù hợp với xe điện, thiết bị y tế và trang thiết bị quân sự. Xe điện cần nguồn năng lượng lớn cùng khả năng nạp nhanh, trong khi thiết bị y tế và quân sự thường đòi hỏi độ tin cậy trong những điều kiện sử dụng khắt khe. Nghiên cứu của giáo sư Paul Braun và các cộng sự tại Đại học Illinois vì thế cung cấp một hướng đáng chú ý cho tương lai pin sạc.