Mặc dù pin lithium-ion hiện nay được sử dụng rộng rãi, nhưng chúng khá đắt tiền và tiềm ẩn rủi ro về an toàn. Pin kẽm mang đến giải pháp thay thế đầy tiềm năng, vì chúng an toàn hơn, rẻ hơn và sử dụng các vật liệu dồi dào hơn.

Tuy nhiên, pin kẽm có nhược điểm lớn là không bền. Theo thời gian, trên điện cực hình thành cấu trúc kim loại nhỏ, sắc nhọn, gọi là dendrite. Các dendrite này có thể phát triển cho đến khi đâm thủng các bộ phận bên trong pin, gây ra đoản mạch, dẫn đến hỏng hóc.

Điều này làm hạn chế sử dụng pin kẽm để lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Concordia (Canada) tìm ra một cách khéo léo để làm chậm quá trình này. Bằng cách thêm các hạt nano vàng lên bề mặt bên trong pin, họ đã ức chế đáng kể sự phát triển của dendrite.

Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chụp ảnh tia X tiên tiến từ Canadian Light Source tại Đại học Saskatchewan để quan sát những gì xảy ra ở quy mô rất nhỏ. Tia X siêu sáng này giúp họ nhìn rõ cách các hạt vàng sắp xếp trên bề mặt pin và ảnh hưởng của chúng đến sự phát triển dendrite.

Điều thú vị là các nhà nghiên cứu không cần phải phủ vàng lên toàn bộ bề mặt bên trong của pin. Thay vào đó, họ chỉ “rắc” các hạt vàng nhỏ li ti chưa đến 10% bề mặt. Mặc dù chỉ sử dụng một lượng rất nhỏ, nhưng hiệu quả lại rất đáng kể.

Các thí nghiệm của họ cho thấy, quá trình hình thành dendrite diễn ra chậm hơn tới 50 lần so với pin kẽm không được xử lý. Pin kẽm được xử lý có thể hoạt động hơn 6.000 giờ trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, cho thấy sự cải thiện đáng kể về tuổi thọ.

Thoạt đầu, nghe sử dụng vàng có vẻ tốn kém, nhưng nhóm nghiên cứu tìm ra cách để giữ chi phí ở mức thấp. Vì chỉ cần một lượng vàng rất nhỏ và quy trình này không yêu cầu điều kiện đặc biệt nào, nên chi phí chỉ bằng khoảng 1% so với lớp phủ vàng truyền thống. Điều này giúp phương pháp trở nên thiết thực hơn đối với ứng dụng thực tế.

Phát hiện này cũng làm các nhà nghiên cứu bất ngờ. Các hạt vàng phân bố rất thưa thớt nên khó phát hiện bằng hầu hết kỹ thuật. Nếu không có công cụ tia X tiên tiến, việc xác nhận sự hiện diện của chúng và hiểu cách chúng hoạt động gần như là điều không thể.

Nhóm nghiên cứu đang tìm hiểu xem liệu kỹ thuật này có thể áp dụng với các thiết kế pin khác, chẳng hạn như pin thế hệ mới sử dụng đồng thay vì các vật liệu truyền thống. Họ cũng quan tâm đến áp dụng ý tưởng tương tự cho các công nghệ khác, như cảm biến, tấm pin mặt trời.

Bước đột phá này cho thấy, ngay cả một lượng nhỏ vật liệu phù hợp, được đặt đúng cách, cũng có thể tạo ra khác biệt lớn. Nếu được phát triển hơn nữa, nó có thể giúp pin kẽm trở thành lựa chọn tiềm năng hơn và giá cả phải chăng để lưu trữ năng lượng sạch trong tương lai.