MỸ – Có một sự thật ít người biết đến: vào năm 1900, số lượng xe điện lưu thông trên đường phố Mỹ còn nhiều hơn cả xe chạy bằng xăng. Vào thời điểm đó, loại pin chì-axit (lead-acid battery) dành cho ô tô do nhà phát minh Thomas Edison chế tạo có giá thành cao và phạm vi hoạt động chỉ 48 km. Với mong muốn cải thiện điều này, ông Edison tin rằng pin niken-sắt (nickel–iron battery) mới chính là tương lai, hứa hẹn mang lại phạm vi di chuyển đến 160km, tuổi thọ cao và thời gian sạc 7 tiếng, một tốc độ được xem là nhanh ở thời điểm đó.

Hình minh họa mô phỏng công nghệ pin mới: các protein (màu đỏ) giữ những cụm kim loại siêu nhỏ (màu bạc). Mỗi quả cầu màu vàng trong cấu trúc ở giữa đại diện cho một nguyên tử niken hoặc sắt.

Đáng tiếc thay, kỳ vọng trên đã không bao giờ trở thành hiện thực. Những dòng pin xe điện đời đầu vẫn gặp phải những hạn chế nghiêm trọng, trong khi những bước tiến của động cơ đốt trong đã giành ưu thế hoàn toàn.

Giờ đây, một dự án nghiên cứu hợp tác quốc tế do đại học California, Los Angeles (UCLA – University of California, Los Angeles) đồng dẫn dắt đã kế thừa ý tưởng từ ông Edison để phát triển công nghệ pin niken-sắt, vốn được đánh giá rất phù hợp để lưu trữ năng lượng tại các trang trại điện mặt trời. Mẫu thử nghiệm có khả năng sạc đầy chỉ trong vài giây thay vì vài giờ, đồng thời đạt được hơn 12.000 chu kỳ xả-sạc, tương đương với hơn 30 năm sử dụng nếu sạc hàng ngày.

Công nghệ này được xây dựng từ các cụm kim loại siêu nhỏ định hình bằng protein, sau đó được liên kết với một loại vật liệu hai chiều có cấu trúc các lớp chỉ dày bằng một nguyên tử. Mặc dù sử dụng những thành phần mang tính đột phá, các kỹ thuật thực hiện lại đơn giản và tiết kiệm chi phí đến bất ngờ.

Đồng tác giả nghiên cứu Maher El-Kady, trợ lý nghiên cứu tại khoa hóa học và sinh hóa của đại học UCLA, chia sẻ: “Các công cụ công nghệ nano hiện đại được cho là rất phức tạp và mang tính công nghệ cao, nhưng cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu lại đơn giản và trực diện một cách đáng ngạc nhiên. Chỉ đơn giản trộn các thành phần phổ biến, áp dụng các bước gia nhiệt nhẹ và sử dụng những nguyên liệu thô sẵn có.”

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Small.

Pin được hỗ trợ từ sinh học
Thế giới tự nhiên đã mang lại nhiều gợi ý cho nhóm nghiên cứu. Đặc biệt là quá trình động vật hình thành xương và các loài giáp xác tạo nên lớp vỏ cứng bên ngoài. Dù là bộ xương bên trong hay lớp vỏ bên ngoài, chúng đều được hình thành nhờ các protein đóng vai trò như “giàn giáo” để thu thập các hợp chất giàu canxi.

Theo đồng tác giả liên hệ Ric Kaner, Giáo sư danh dự ngành hóa học và sinh hóa tại đại học UCLA, nhóm nghiên cứu đã tìm cách mô phỏng cơ chế này nhằm tạo ra các cụm kim loại niken hoặc sắt với kích thước siêu nhỏ.

Giáo sư Kaner nói rằng: “Nhóm nghiên cứu đã lấy ý tưởng từ cách tự nhiên lắng đọng các loại vật liệu này. Việc sắp xếp khoáng chất theo cách phù hợp giúp tạo nên bộ xương vừa bền chắc, vừa đủ linh hoạt để không bị giòn. Cách thức hình thành gần như quan trọng ngang với bản thân vật liệu, và các protein chính là yếu tố định hướng vị trí của chúng.”

Trong nghiên cứu, nhóm đã sử dụng các protein là phụ phẩm từ quá trình sản xuất thịt bò. Các phân tử này đóng vai trò làm khuôn để hình thành các cụm niken cho điện cực dương và sắt cho điện cực âm. Những khe và nếp gấp trong cấu trúc protein đã giới hạn kích thước các cụm kim loại xuống dưới 5 nanomet. Kích thước này nhỏ đến mức cần khoảng 10.000 đến 20.000 cụm mới tương đương bề ngang một sợi tóc của con người. Các nhà nghiên cứu còn phát hiện các nguyên tử đơn lẻ của sắt và niken trong các điện cực.

Các protein được kết hợp với graphene oxide, một vật liệu hai chiều siêu mỏng tồn tại dưới dạng các tấm chỉ dày một nguyên tử, gồm khung carbon gắn với các nguyên tử oxy. Mặc dù oxy có thể gây cản trở, khiến vật liệu hoạt động giống chất cách điện hơn, nhưng quy trình xử lý tiếp theo đã thay đổi hoàn toàn đặc tính này.

Các thành phần được gia nhiệt siêu nóng trong nước rồi nung ở nhiệt độ cao, khiến protein bị carbon hóa, loại bỏ oxy khỏi vật liệu 2D và đồng thời cố định các cụm kim loại siêu nhỏ theo định hướng của protein. Cấu trúc thu được là một loại aerogel, có thể tích 99% là không khí.

Diện tích bề mặt: “siêu năng lực” của công nghệ
Một phần bí quyết của công nghệ này nằm ở diện tích bề mặt, bề mặt tiếp xúc càng lớn thì không gian để các phản ứng hóa học trong pin diễn ra càng nhiều.

Độ mỏng và lượng không gian trống dồi dào của vật liệu graphene aerogel đã cung cấp một diện tích phản ứng cực kỳ rộng. Bên cạnh đó, kích thước siêu nhỏ của các cụm nano kim loại đã tận dụng một nguyên lý toán học cơ bản: khi vật thể càng nhỏ, diện tích bề mặt tiếp xúc sẽ tăng lên đáng kể so với thể tích của chính nó.

Ông El-Kady nói rằng: “Khi chuyển từ các hạt lớn xuống các cụm nano cực nhỏ này, diện tích bề mặt sẽ tăng lên đáng kể. Đây là một lợi thế lớn đối với pin. Khi các hạt đạt đến kích thước siêu nhỏ, gần như mọi nguyên tử đơn lẻ đều có thể tham gia vào phản ứng. Nhờ đó, quá trình sạc và xả diễn ra nhanh hơn nhiều, khả năng lưu trữ điện năng lớn hơn và toàn bộ pin hoạt động hiệu quả hơn hẳn.”

Triển vọng tương lai và các bước tiếp theo
Mặc dù sở hữu những ưu điểm vượt trội về tốc độ sạc và độ bền, phiên bản công nghệ này hiện vẫn chưa thể sánh ngang với khả năng lưu trữ của các dòng pin lithium-ion (*) hiện nay. Trong bối cảnh phạm vi di chuyển là yếu tố then chốt trên thị trường xe điện, các nhà nghiên cứu tin rằng loại pin lấy ý tưởng từ sáng chế của nhà phát minh Edison có thể sẽ được ứng dụng vào các lĩnh vực khác trong tương lai.
(*) So sánh với pin lithium-ion, pin niken-sắt có:
– Mật độ năng lượng (năng lượng mà pin có thể lưu trữ trên mỗi đơn vị khối lượng hoặc thể tích) thấp hơn.
– Hiệu suất năng lượng (tỷ lệ phần trăm năng lượng mà pin trả lại so với năng lượng đã sạc vào) thấp hơn.
– Điện áp định danh (mức điện áp trung bình của một cell pin trong quá trình hoạt động bình thường) thấp hơn.
– Tốc độ tự xả (tốc độ pin mất năng lượng theo thời gian ngay cả khi không sử dụng) cao hơn.
– Kích thước và khối lượng lớn hơn.

Cụ thể, khả năng sạc nhanh, công suất cao và độ bền của công nghệ này cho thấy sự phù hợp để lưu trữ lượng điện dư thừa tại các trang trại điện mặt trời vào ban ngày để cung cấp cho lưới điện vào ban đêm. Ngoài ra, nó cũng hữu ích trong việc làm nguồn điện dự phòng cho các trung tâm dữ liệu.

Ông El-Kady cho biết: “Vì công nghệ này có thể kéo dài tuổi thọ của pin lên đến hàng thập kỷ, nó sẽ là giải pháp lý tưởng để lưu trữ năng lượng tái tạo hoặc nhanh chóng tiếp quản khi hệ thống mất điện. Điều này giúp loại bỏ những lo ngại về chi phí thay đổi cơ sở hạ tầng.”

Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục khám phá việc áp dụng kỹ thuật chế tạo cụm nano này với các kim loại khác. Họ cũng đang tìm kiếm những phương án thay thế cho protein bò, chẳng hạn như các polymer tự nhiên dồi dào hơn, từ đó giúp giảm chi phí và dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất trong tương lai.

Để xem các tin bài khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online