Sự phát triển này dựa trên một ý tưởng từ năm 1900, khi xe điện nhiều hơn xe chạy xăng trên các đường phố ở nước Mỹ. Nhiều người lái xe dùng pin axit chì, gồm cả những loại do Edison phát triển. Loại pin này đắt tiền và chỉ có thể cung cấp năng lượng cho xe chạy khoảng 48 km.

Thomas Edison tin rằng, ông có giải pháp tốt hơn, đó là pin niken-sắt. Edison trước đây cố gắng cải thiện phạm vi hoạt động của xe điện bằng cách dựa vào thành phần hóa học niken-sắt để chế tạo pin, giúp xe đạt phạm vi hoạt động đến 160 km.

Thomas Edison hứa hẹn, tuổi thọ pin niken-sắt sẽ dài hơn, thời gian sạc đầy là 7 giờ, được xem khá nhanh so với thời đó. Nhưng công nghệ này chưa kịp phát triển cho đến khi những cải tiến trong động cơ xăng đã sớm đẩy xe điện sang một bên.

Hơn một thế kỷ sau, một nhóm nghiên cứu quốc tế do UCLA đồng dẫn đầu đã phát triển nguyên mẫu pin niken-sắt, có thể sạc đầy chỉ trong vài giây và duy trì hiệu suất trong hơn 12.000 chu kỳ sạc và xả. Độ bền này tương đương với hơn 30 năm sử dụng hằng ngày.

Khả năng sạc nhanh, công suất cao, độ bền mạnh mẽ của công nghệ này cho thấy nó rất phù hợp để lưu trữ điện năng dư thừa tạo ra tại các trang trại điện mặt trời vào ban ngày, để cung cấp điện cho lưới điện vào ban đêm, các nhà nghiên cứu cho hay.

Công nghệ mới này sử dụng các cụm niken và sắt cực nhỏ, mỗi cụm có kích thước nhỏ hơn 5 nanomet. Để dễ hình dung, cần khoảng 10.000 đến 20.000 cụm này xếp cạnh nhau mới có chiều rộng bằng một sợi tóc người.

Bằng cách sử dụng kích thước nhỏ đến mức này, nhóm nghiên cứu đã tăng diện tích bề mặt điện cực, cho phép hầu hết mọi nguyên tử tham gia vào phản ứng hóa học. Nguyên mẫu của UCLA sử dụng graphene 2D và protein để tăng độ dẫn điện, vốn trước đây đã hạn chế loại pin này.

Để tạo ra các cụm này, nhóm nghiên cứu dựa vào sinh học. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng protein từ quá trình sản xuất thịt bò làm khuôn mẫu, để phát triển các cụm kim loại. Cấu trúc protein-kim loại này, kết hợp với oxit graphene, vật liệu carbon hai chiều chỉ dày một nguyên tử.

Hỗn hợp này được đun nóng trong nước, sau đó nung ở nhiệt độ cao, quá trình này chuyển hóa protein thành carbon, sau đó nhúng các cụm niken-sắt vào cấu trúc. Vật liệu thu được là một loại aerogel gồm 99% không khí theo thể tích.

Hiệu suất của pin đến từ diện tích bề mặt lớn của nó. Do aerogel graphene mỏng và xốp, khi các hạt kim loại co lại thành các cụm nano, tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tăng lên đáng kể, đồng nghĩa với có nhiều không gian hơn cho các phản ứng hóa học.

Điều này cho phép tốc độ sạc và xả của loại pin này nhanh hơn so với các thiết kế pin truyền thống, vì các ion có quãng đường di chuyển ngắn hơn và nhiều vị trí để liên kết hơn. Hiệu suất này cho phép pin đạt mức sạc đầy chỉ trong vài giây thay vì 7 giờ như các phiên bản trước đây.

Mặc dù pin này chưa đạt được mật độ năng lượng như pin lithium-ion hiện nay, khiến nó kém phù hợp cho việc sử dụng cho xe điện tầm xa, nhưng nó có những ứng dụng đầy hứa hẹn khác. Nhờ khả năng sạc nhanh, tuổi thọ cao khiến nó trở thành giải pháp lý tưởng để lưu trữ năng lượng tái tạo, hoặc nhanh chóng thay thế khi nguồn điện bị mất

Nhờ độ bền cao và thời gian phản hồi nhanh, nhóm nghiên cứu kỳ vọng công nghệ này sẽ được sử dụng để ổn định lưới điện và quản lý sản lượng không ổn định của các nguồn năng lượng tái tạo. Pin này cũng có thể cung cấp nguồn điện dự phòng đáng tin cậy cho các trung tâm dữ liệu.

Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm hiểu sử dụng các kim loại khác và các vật liệu tự nhiên dồi dào hơn để làm cho công nghệ này dễ dàng và rẻ hơn để mở rộng quy mô. Bằng cách kết hợp tầm nhìn ban đầu của Edison với khoa học hiện đại, họ có thể mở ra chương mới cho thiết kế pin từng bị lãng quên.