MỸ – Một nhóm các nhà nghiên cứu tại đại học Texas ở thành phố El Paso (UTEP – University of Texas at El Paso) đã phát triển thành công phương pháp in 3D các linh kiện của loại pin thông thường với nhiều hình dạng. Giải pháp mới này sẽ giúp các kỹ sư phát triển các dòng pin sạc tiêu chuẩn với kích thước lớn hơn, đồng thời cho phép tích hợp trực tiếp bộ phận lưu trữ năng lượng vào bên trong thiết bị mà viên pin đó cung cấp năng lượng.

Dự án đã được công bố trên tạp chí Communications Engineering, tập trung vào chất điện phân polymer dạng gel (gel polymer electrolytes). Đây là vật liệu nằm bên trong pin có nhiệm vụ vận chuyển các ion (hạt mang điện tích) qua lại giữa các điện cực (hai đầu cực nơi xảy ra phản ứng hóa học để giải phóng hoặc tiếp nhận dòng điện).

Thông thường, các chất điện phân truyền thống ở dạng lỏng và được niêm phong kín trong các lớp vỏ bọc cứng. Thiết kế này không chỉ giới hạn hình dáng của pin mà còn tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ gây mất an toàn. Để giải quyết vấn đề này, đội ngũ nghiên cứu tại đại học UTEP đã tạo ra một loại gel có thể in được bằng cách kết hợp nhựa quang hóa (light-curable resin) (1) với chất điện phân lỏng gốc lithium. Sau đó, họ tiến hành đông cứng từng lớp vật liệu này thông qua kỹ thuật quang trùng hợp bể chứa (vat photopolymerisation) (2).
(1) Light-curable resin: là một loại polymer dạng lỏng có khả năng chuyển đổi trạng thái từ thể lỏng sang thể rắn dưới tác động của ánh sáng, thường là ánh sáng tia cực tím (UV) hoặc ánh sáng xanh có bước sóng cụ thể.
(2) Vat photopolymerisation: là một công nghệ in 3D sử dụng nhựa lóng nhạy sáng (photopolymer resin). Mỗi nguồn sáng (thường là laser UV hoặc máy chiếu UV/ LCD UV) sẽ chiếu vào bề mặt nhựa trong một bể chứa để làm đông cứng từng lớp vật liệu theo hình dạng của mô hình 3D.

Vật liệu in ra cho thấy hiệu suất tương đương với các chất điện phân được sản xuất bằng phương pháp truyền thống, đạt độ dẫn ion đến 3,4 x 10-3 siemens/cm (*), tiệm cận với hiệu năng của chất điện phân lỏng mà nó thay thế. Nhóm nghiên cứu đã xác định được công thức tối ưu với tỷ lệ nhựa quang hóa và chất điện phân là 1:4, giúp cân bằng hoàn hảo giữa hiệu suất điện hóa mạnh mẽ và khả năng in sắc nét và ổn định.
(*) Siemens (S): Là đơn vị đo độ dẫn điện (khả năng cho dòng điện đi qua), là nghịch đảo của Ohm (đơn vị đo điện trở). Vật liệu có số đo siemens càng cao thì dẫn điện càng tốt, điện trở cản trở dòng điện càng nhỏ. Siemens trên centimet (S/cm): Là đơn vị đo độ dẫn điện riêng (conductivity) của một vật liệu trên một đơn vị chiều dài (ở đây là 1 cm).

Một điểm quan trọng khác đối với tính ứng dụng thực tế là nhóm nghiên cứu đã thực hiện quá trình in chất điện phân này ngay trong môi trường phòng thí nghiệm thông thường, thay vì đặt trong các buồng kín không có oxy, trong khi vật liệu vẫn bảo toàn được hiệu suất hoạt động. Để chứng minh khả năng tự do thiết kế mà phương pháp này mang lại, các nhà nghiên cứu đã in thử nghiệm các dạng hình học khác nhau như đĩa tròn đơn giản, cấu trúc lưới tổ ong mở và một khối lập phương đặc có kích thước cạnh 1 cm. Thử nghiệm đã cho thấy cách các viên pin trong tương lai có thể được tạo hình một cách linh hoạt để vừa vặn với các thiết bị đeo, thiết bị y tế hay linh kiện hàng không vũ trụ, thay vì thiết kế các thiết bị để có không gian chứa pin dạng truyền thống.

Tiến sĩ Alexis Maurel, trưởng nhóm nghiên cứu chia sẻ: “Trong nhiều năm qua, hình dáng của viên pin luôn là yếu tố quyết định kiểu dáng của thiết bị mà nó cung cấp năng lượng. Nghiên cứu của nhóm cho thấy hoàn toàn có thể in một linh kiện điện phân hiệu suất cao với hình dạng theo yêu cầu và vị trí lắp đặt. Điều này sẽ thay đổi hoàn toàn giới hạn tư duy của các nhà thiết kế.”

Nghiên cứu cũng làm rõ tầm ảnh hưởng của việc lựa chọn dung môi đối với khả năng in 3D lẫn đặc tính hoạt động của pin, một yếu tố mà các nhà nghiên cứu lưu ý rằng chưa được khai thác sâu trong các nghiên cứu trước đây về chất điện phân có thể in được. Trong đó, một công thức điều chế cụ thể đã chứng minh được độ ổn định vượt trội qua các chu kỳ thử nghiệm thường xuyên, giúp nhóm xác định được hướng phát triển tiềm năng nhất cho tương lai.

Nghiên cứu được dẫn dắt bởi các nhà khoa học thuộc đại học UTEP phối hợp cùng phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (Sandia national laboratories). Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm có kế hoạch điều chỉnh công thức và hướng đến việc tích hợp các chất điện phân in 3D này vào các cell pin hoàn chỉnh.

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

 

Nguồn: Electronics Online