Khi nhu cầu sử dụng pin ngày càng tăng, từ điện thoại, xe điện đến hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo, các nhà khoa học đang tìm kiếm các giải pháp an toàn và tiết kiệm hơn so với công nghệ pin lithium-ion hiện nay. Pin lithium-ion đang chi phối thị trường, nhưng có nhược điểm là dễ quá nhiệt, bốc cháy và phụ thuộc các vật liệu đắt tiền, đôi khi có hại cho môi trường.
Mới đây, nhóm nghiên cứu tại Trường kỹ thuật FAMU-FSU do Giáo sư Petru Andrei và nghiên cứu sinh tiến sĩ Peng Wang dẫn đầu, chế tạo loại pin kẽm-ion mới đầy hứa hẹn, sử dụng vật liệu gốc nước làm chất điện phân, thay vì các hóa chất dễ cháy, có thể giúp giải quyết các vấn đề này.
Loại pin kẽm-ion an toàn hơn, nhưng cho đến nay, vẫn đối mặt với các thách thức kỹ thuật làm hạn chế hiệu suất của chúng. Kết quả nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí ACS Omega, cho thấy thiết kế mới không chỉ an toàn hơn mà còn bền hơn và dễ sản xuất hơn.
Một vấn đề lớn của pin là sự hình thành các gai dendrite, nhọn như kim, mọc bên trong pin trong quá trình sạc/xả. Theo thời gian, cấu trúc này có thể đâm xuyên các bộ phận bên trong pin, gây ra đoản mạch hay hỏng hoàn toàn. Một thách thức khác là quy trình sản xuất thường gồm nhiều bước, khá phức tạp.
Thiết kế mới giải quyết cả hai vấn đề cùng một lúc. Thay vì sử dụng các phương pháp truyền thống, các nhà nghiên cứu thiết lập một quy trình sản xuất đơn giản hóa, trong đó các thành phần chính của pin được hình thành trực tiếp bên trong thiết bị trong quá trình lắp ráp.
Phương pháp này sử dụng loại hydrogel đặc biệt làm chất điện phân, được làm từ poly(vinyl alcohol) và các sợi nano bền chắc có nguồn gốc từ Kevlar, loại vật liệu thường sử dụng trong các thiết bị bảo hộ.
Hydrogel này đóng vai trò quan trọng. Nó giữ chất điện phân lỏng ở đúng vị trí, duy trì sự ổn định của pin và ngăn chặn sự phát triển các gai dendrite. Vì nó có gốc nước và không bắt lửa, nên nó cũng làm cho pin an toàn hơn nhiều so với các thiết kế thông thường.
Một ưu điểm của hệ thống này là cách thức chế tạo. Quy trình sản xuất pin truyền thống bao gồm việc trộn bột với dung môi để tạo thành hỗn hợp sệt, phủ lên bề mặt kim loại, sau đó sấy khô, một quy trình tốn thời gian và năng lượng. Phương pháp mới loại bỏ các bước này, cho phép lắp ráp pin đơn giản hơn, giúp giảm chi phí.
Trong quá trình thử nghiệm, pin cho thấy hiệu suất ấn tượng. Nó có thể sạc và xả nhanh chóng trong hơn 900 chu kỳ mà vẫn duy trì được dung lượng. Độ bền này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu lưu trữ năng lượng lâu dài và đáng tin cậy.
Mặc dù pin này có thể không lưu trữ năng lượng nhiều như pin lithium-ion, nhưng chúng phù hợp cho các ứng dụng mà an toàn, chi phí và tuổi thọ là yếu tố quan trọng nhất. Ví dụ, chúng có thể giữ vai trò quan trọng trong việc lưu trữ năng lượng từ tấm pin mặt trời và turbine gió. Chúng cũng có thể sử dụng trong hệ thống điện dự phòng gia đình hoặc trong các thiết bị cần giảm thiểu rủi ro cháy nổ.
Nhìn chung, thiết kế pin kẽm-ion mới này đánh dấu bước tiến quan trọng hướng tới việc lưu trữ năng lượng an toàn và bền vững hơn. Bằng cách đơn giản hóa quy trình sản xuất và cải thiện độ tin cậy, nó có thể giúp đưa các loại pin thế hệ tiếp theo đến gần hơn với việc sử dụng hằng ngày.
