Khi các loại pin này sạc, kim loại kẽm có xu hướng phát triển các gai tinh thể lởm chởm gọi là dendrite. Nếu không được kiểm soát, mảng kim loại này phát triển, sẽ xuyên qua lớp màng bên trong, gây ra hiện tượng đoản mạch, dẫn đến pin hỏng sớm chỉ trong vài tuần.

Để tìm ra giải pháp, nhóm nghiên cứu tại Đại học công nghệ Nam Trung Quốc ở Quảng Châu chuyển sang sử dụng thực vật. Thay vì chỉ đóng vai trò ngăn chặn sự phát triển các dendrite, lớp màng bằng hydrogel hữu cơ mới còn hoạt động như đường cao tốc phân tử, đẩy nhanh dòng ion.

Nếu như màng ngăn bằng sợi thủy tinh thương mại thường bị hỏng sau 120 giờ sử dụng, hydrogel hữu cơ này chịu được 1.100 giờ hoạt động mà không có dao động điện áp nào. Để tạo ra cấu trúc của hydrogel, trước tiên nhóm nghiên cứu hòa tan cellulose vi tinh thể trong dung dịch kiềm/urê được làm lạnh, sử dụng borax để kết nối các polymer thành mạng lưới nền vững chắc.

Sau đó, họ gia cố cấu trúc này bằng sợi nano có nguồn gốc từ tre, được oxy hóa bằng tempo. Các sợi này rất nhỏ, chỉ dày 3 nm, nhưng chúng mang một rừng dày đặc các nhóm carboxyl, hoạt động như một nam châm hóa học đối với các ion kẽm.

Điều thú vị, các sợi nano này có hai vai trò. Chúng hoạt động như “thanh cốt thép” siêu nhỏ để làm cứng gel và như “đường cao tốc” giúp tăng tốc độ di chuyển các ion kẽm qua pin. Các sợi này gần như tăng gấp đôi tốc độ di chuyển ion kẽm so với vật liệu có nguồn gốc thực vật tiêu chuẩn. Mô phỏng máy tính cho thấy các ion di chuyển qua vật liệu này với tốc độ nhanh hơn.

Mặc dù chỉ dày 1 mm và hầu như trong suốt, màng này lại cực kỳ bền chắc, cứng hơn gấp 4 lần so với cellulose tiêu chuẩn ngay cả sau khi ngâm trong hóa chất pin. Trong các thử nghiệm so sánh trực tiếp, pin dùng loại gel này có tuổi thọ 1.100 giờ, trong khi pin sử dụng màng ngăn tiêu chuẩn thương mại chỉ có tuổi thọ 120 giờ.

Pin cũng hoạt động tốt dưới áp lực, chịu được nhu cầu năng lượng cao và nhiệt độ cực cao (45°C) tốt hơn nhiều so với các pin lỏng truyền thống. Khi dùng trong một bộ pin hoàn chỉnh, loại hydrogel này cung cấp năng lượng ấn tượng và duy trì lâu hơn, giữ lại khoảng 80% dung lượng sau 1.000 lần sạc, vượt trội hơn so với chất điện phân lỏng tiêu chuẩn.

Điều thú vị là các vật liệu được sử dụng, như bột cellulose, tre và borax, đều là các hóa chất thông dụng, giá rẻ. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế loại gel này để có thể “đúc trên cuộn lăn”, một quy trình sản xuất gần như giống hệt với sản xuất giấy.

Về chi phí, hiệu quả cũng rất đáng kể. Sản xuất 1 cm² loại gel sinh học này, chỉ tốn 8% giá thành so với màng ngăn tiêu chuẩn thương mại. Và cuối cùng khi pin hết sử dụng? Bạn không cần đến cơ sở xử lý chất thải nguy hại. Chỉ cần ngâm nhanh trong dung dịch enzyme cellulase là toàn bộ màng pin sẽ được phân hủy trong vòng 4 giờ.

Công nghệ này cũng rất bền. Các “túi” pin dẻo, sử dụng loại gel này vẫn hoạt động hoàn toàn bình thường ngay cả khi bị uốn cong 90 độ dưới trọng lượng nặng, khiến chúng trở nên lý tưởng cho quần áo thông minh và các thiết bị công nghệ đeo được.

Hơn nữa, thành phần hóa học của loại gel có nguồn gốc thực vật này không chỉ giới hạn ở kẽm. Nó có thể sớm được điều chỉnh để sử dụng cho pin natri hoặc nhôm, mở ra mô hình bền vững cho năng lượng thân thiện với môi trường thế hệ tiếp theo. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Bioresources and Bioproducts.