Nhóm nghiên cứu tại Đại học Texas A&M, do Giáo sư kỹ thuật hóa học, Tiến sĩ Jodie Lutkenhaus dẫn đầu, cho biết họ vừa phát triển loại pin mới dựa trên polymer, được thiết kế để hoạt động ngay cả trong điều kiện lạnh giá khắc nghiệt, có thể tiếp tục sử dụng ở nhiệt độ thấp tới -40 độ C.

Bước đột phá này có thể giúp việc lưu trữ năng lượng trở nên đáng tin cậy hơn trong các cơn bão mùa đông, đợt rét đậm và ở môi trường vùng cực hay vùng cao, bởi khi nhiệt độ giảm mạnh, nhiều loại pin mất khả năng sạc hoặc cung cấp năng lượng. Kết quả nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Materials Chemistry A.

Các loại pin truyền thống thường hoạt động kém hiệu quả trong thời tiết lạnh, chủ yếu do chất điện phân dạng lỏng bên trong. Chất lỏng này mang các hạt tích điện, cho phép dòng điện chạy qua. Nhưng khi nhiệt độ quá thấp, chất lỏng có thể đặc lại, ngăn chặn sự di chuyển của các hạt này. Nếu không có sự di chuyển đó, pin không thể sạc hoặc xả.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu thay thế chất điện phân dạng lỏng tiêu chuẩn bằng một loại khác có thể duy trì trạng thái lỏng ở nhiệt độ rất thấp. Họ cũng thay thế các vật liệu vô cơ cứng thường dùng trong điện cực của pin bằng vật liệu polymer mềm hơn. Các polymer này cho phép các hạt mang điện di chuyển dễ dàng hơn, ngay cả khi nhiệt độ cực lạnh.

Vì các vật liệu này có thể chịu được nhiệt độ thấp một cách tự nhiên, nên pin không phải quá sức để chống lại các phản ứng hóa học của chính nó. Thiết kế mới này được gọi là pin ion kép hữu cơ. Nó sử dụng các polymer đặc biệt có thể lưu trữ và giải phóng năng lượng thông qua các phản ứng hóa học.

Trong các thử nghiệm, pin giữ được 85% dung lượng ở nhiệt độ đóng băng và vẫn giữ được 55% dung lượng ở nhiệt độ -40 độ C. Pin cũng cung cấp công suất đầu ra mạnh mẽ, cho thấy nó có thể xử lý các tác vụ đòi hỏi cao chứ không chỉ các tác vụ chậm, tiêu thụ ít năng lượng.

Nhóm nghiên cứu cũng tập trung làm cho pin bền hơn về mặt vật lý. Pin thông thường dựa vào các thành phần kim loại, làm tăng trọng lượng và có thể bị nứt dưới áp lực, đặc biệt trong điều kiện khắc nghiệt. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu sử dụng sợi carbon dệt, loại vật liệu dẫn điện, đồng thời gia tăng cấu trúc của pin.

Cách tiếp cận này tạo ra thứ mà các nhà khoa học gọi là “pin cấu trúc”, nghĩa là nó có thể vừa lưu trữ năng lượng, vừa đóng vai trò là một phần khung của thiết bị. Loại pin này có thể giảm trọng lượng và cải thiện độ bền trong xe điện, máy bay không người lái và các thiết bị khác. Chúng rất hữu ích cho xe điện trong điều kiện khí hậu mùa đông.

Pin hoạt động tốt trong thời tiết lạnh có thể đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tương lai. Trong các cơn bão lớn, lưới điện có thể bị sự cố, khiến cộng đồng phải phụ thuộc vào nguồn điện dự phòng. Pin hoạt động được trong điều kiện lạnh có thể giúp duy trì điện cho nhà cửa, bệnh viện và hệ thống thông tin liên lạc.

Mặc dù công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, nhưng nghiên cứu cho thấy, việc lựa chọn vật liệu thông minh có thể khắc phục các hạn chế lâu nay về hiệu suất pin. Các nhà nghiên cứu hy vọng công trình của họ sẽ dẫn đến các hệ thống lưu trữ năng lượng đáng tin cậy trong mọi mùa, chứ không chỉ trong thời tiết ôn hòa.