Một kỹ thuật mới, giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất trong lưu trữ năng lượng của pin, đó là sự hình thành các nhánh tinh thể (gai dendrite). Dendrite là cấu trúc dạng kim sắc nhọn, thường phát triển trong quá trình sạc-xả, dẫn đến đoản mạch và hỏng pin.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Concordia phát hiện, việc thêm một lớp mỏng hạt nano vàng vào bề mặt bên trong của pin, có thể làm giảm đáng kể sự hình thành gai dendrite trong pin kẽm, thông qua đó có thể giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ pin.

Sử dụng tia X siêu sáng từ Canadian Light Source tại Đại học Saskatchewan, nhóm nghiên cứu quan sát cách các hạt nano này tương tác với bề mặt pin. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ngay cả một lớp phủ tối thiểu cũng có thể tạo ra tác động lớn.

Các nhà nghiên cứu báo cáo, sự phát triển của gai dendrite giảm tới 50 lần so với pin kẽm không được xử lý bằng cách này. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, pin được cải tiến tiếp tục hoạt động trong hơn 6.000 giờ, cho thấy tuổi thọ tăng lên đáng kể.

Khác với các lớp phủ truyền thống, thường yêu cầu lượng lớn vật liệu đắt tiền, phương pháp này sử dụng các hạt nano vàng trải đều lên chưa đến 10% bề mặt. Sự phân bố thưa thớt này, giúp giảm lượng vật liệu sử dụng mà vẫn mang lại hiệu suất vượt trội.

Nhóm nghiên cứu cho biết sự sắp xếp các hạt là then chốt. Thay vì tạo thành một lớp liên tục, các hạt nano hoạt động như các điểm kiểm soát cục bộ, ảnh hưởng đến cách kẽm lắng đọng trong khi sạc. Điều này giúp ngăn ngừa sự tích tụ không đồng đều, dẫn đến hình thành gai dendrite.

Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này có thể được mở rộng cho các ứng dụng thực tế, đặc biệt là nó tránh được các bước sản xuất phức tạp. Bằng cách sử dụng vật liệu tối thiểu và quy trình đơn giản, phương pháp này có thể giúp việc bảo vệ pin tiên tiến trở nên đơn giản hơn.

Bên cạnh pin kẽm, các nhà nghiên cứu hiện đang tìm hiểu cách áp dụng kỹ thuật tương tự cho các hệ thống pin khác. Trước mắt là nghiên cứu điện cực đồng cho pin không có cực dương thế hệ tiếp theo.

Họ cũng đang nghiên cứu xem, liệu các lớp phủ hạt nano thưa thớt có thể sử dụng trong các công nghệ khác, như cảm biến, quang điện và hệ thống chiếu sáng, nơi các tương tác bề mặt đóng vai trò khá quan trọng.

Nếu thành công, phương pháp này có thể cung cấp một cách đơn giản để cải thiện hiệu suất trên nhiều công nghệ năng lượng và điện tử mà không làm tăng đáng kể chi phí. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Materials Chemistry A.