Một nhóm nghiên cứu quốc tế do trường Đại học Stanford dẫn đầu, đã chế tạo được loại pin sạc, có khả năng tích điện gấp sáu lần các mẫu pin sạc thương mại hiện nay. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 25/8/2021 vừa qua.

Bước tiến này có thể tăng tốc độ sử dụng pin sạc và đưa các nhà nghiên cứu đến việc hiện thực hóa hai mục tiêu hàng đầu, đó là chế tạo pin sạc hiệu suất cao, cho phép sạc điện thoại di động chỉ một lần mỗi tuần thay vì hàng ngày và cho phép xe điện chạy quãng đường dài gấp sáu lần mà không cần sạc lại.

Loại pin kim loại kiềm-clo mới, do nhóm nghiên cứu của Giáo sư hóa học Hongjie Dai tại trường Đại học Stanford và nghiên cứu sinh tiến sĩ Guanzhou Zhu phát triển, dựa vào chuyển đổi hóa học qua lại của natri clorua (Na/Cl2) hoặc lithium clorua (Li/Cl2) thành clo. Khi các electron di chuyển từ mặt này sang mặt kia của pin sạc, quá trình sạc sẽ thực hiện quá trình chuyển đổi hóa học trở lại trạng thái ban đầu để chờ lần sử dụng tiếp theo.

Phát hiện tình cờ

Chưa ai chế tạo được pin natri-clo hoặc lithium-clo sạc cho hiệu suất cao, là vì clo phản ứng quá mạnh và khó chuyển đổi trở lại thành clorua với hiệu quả cao. Trong số ít trường hợp, loại pin này có thể sạc lại ở mức độ nhất định nhưng hiệu suất pin rất kém.

Trên thực tế, nhóm nghiên cứu không có ý định tạo ra loại pin natri - clo và lithium-clo có thể sạc, mà chỉ đơn thuần là cải tiến công nghệ pin hiện có của họ bằng cách sử dụng thionyl clorua. Hóa chất này là một trong những thành phần chính của pin lithium-thionyl chloride, loại pin phổ biến dùng một lần được phát minh vào những năm 1970.

Tuy nhiên, qua một trong những thí nghiệm ban đầu liên quan đến clo và natri clorua, các nhà khoa học nhận thấy chuyển đổi của hóa chất này thành một hóa chất khác đã ổn định, dẫn đến khả năng sạc lại. Trong vài năm tiếp theo, các tác giả tiếp tục thử nghiệm nhiều vật liệu khác cho điện cực dương của pin. Bước đột phá lớn xảy ra khi họ tạo ra điện cực bằng vật liệu cacbon xốp tiên tiến, sản phẩm của Giáo sư Yuan-Yao Li cùng các cộng sự tại trường Đại học Quốc gia Chung Cheng, Đài Loan. Vật liệu cacbon có cấu trúc hình cầu nano chứa nhiều lỗ siêu nhỏ. Trên thực tế, những quả cầu rỗng này hoạt động giống như miếng bọt biển, chứa rất nhiều phân tử clo dễ cảm ứng và lưu trữ chúng để sau đó chuyển đổi thành muối bên trong vi hạt.

Nghiên cứu sinh Zhu giải thích: “Phân tử clo đang được giữ lại và bảo vệ trong các lỗ nhỏ của các hạt nano cacbon khi pin sạc. Sau đó, khi pin cần xả sạc, chúng tôi có thể xả sạc cho pin và chuyển đổi clo thành NaCl (muối ăn) và lặp lại quá trình này trong nhiều chu kỳ. Hiện tại, chúng tôi có thể quay vòng đến 200 lần và vẫn cần nghiên cứu thêm".

Kết quả nghiên cứu là một bước tiến để thiết kế pin sạc có mật độ năng lượng cao. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã đạt được 1.200 miliamp giờ với mỗi gam vật liệu điện cực dương, trong khi công suất của pin lithium-ion thương mại hiện nay chỉ là 200 miliamp giờ mỗi gam. Mức công suất này cao hơn đến sáu lần.

Các nhà nghiên cứu cho rằng một ngày nào đó, loại pin mới sẽ được sử dụng trong các tình huống mà việc sạc lại thường xuyên là không thực tế hoặc không mong muốn, như trong vệ tinh hoặc cảm biến từ xa. Nhiều vệ tinh có thể sử dụng, hiện đang trôi nổi trên quỹ đạo và không thể hoạt động do hết pin. Các vệ tinh tương lai được gắn pin sạc tuổi thọ cao, có thể được trang bị bộ sạc năng lượng mặt trời, làm tăng khả năng hữu dụng của chúng gấp nhiều lần.

Tuy nhiên, hiện nay, mẫu pin sạc mới vẫn phù hợp để sử dụng trong các thiết bị điện tử nhỏ hàng ngày như máy trợ thính hoặc điều khiển từ xa. Đối với thiết bị điện tử tiêu dùng hoặc xe điện, cần nghiên cứu thêm để thiết kế cấu trúc pin, tăng mật độ năng lượng, mở rộng quy mô pin và tăng số chu kỳ sạc.

N.P.D (NASATI), theo https://techxplore.com/news/2021-08-rechargeable-batteries.html, 26/8/2021