Công nghệ đột phá tăng tốc độ sạc pin

Thời gian để sạc điện thoại di động hay máy tính xách tay có thể chỉ mất vài phút thay vì phải mất hàng giờ nhờ một loại vật liệu nano mới. Vật liệu được tạo thành từ cái mà các nhà nghiên cứu gọi nanoscoop -  các khối vật liệu "hình nón" gồm cacbon và nhôm với “cái chụp” silicon ở trên cùng.
Khối nanoscoop sẽ thay thế cực dương than chì được sử dụng trong pin lithium-ion ngày nay, loại pin phổ biến nhất trong các thiết bị điện tử tiêu dùng.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu từ Viện bách khoa Rensselaer (RPI) ở New York đã chế tạo một cục Li-ion tế tròn dẹp (kích thước bằng pin sử dụng trong đồng hồ đeo tay) với một cực dương bằng nanoscoop và tiến hành các bài test chuẩn pin trên một mẫu thử. Kết quả: Loại pin mới này sạc nhanh hơn từ 40 đến 60 lần so với pin Li-ion thông thường. Pin này được cho xả đến điện tích bằng 0 và sau đó sạc lại – tức là 1 chu kỳ sạc – 100 lần  nhưng cho có dấu hiệu xuống cấp. Các nhà nghiên cứu hy vọng công nghệ pin này sẽ được thương mại trong một vài năm tới.
Nhược điểm của pin Li-ion
Vấn đề với các loại pin Lithium-ion ngày nay là phải được sạc và xả chậm để bảo vệ cực dương khỏi bị hư hại. Như chúng ta đã biết, pin bao gồm 2 điện cực: 1 âm cực mang điện tích dương và 1 cực dương mang điện tích âm.
Bên trong pin, các ion Lithium di chuyển vào và ra khỏi cực dương, khiến cho điện cực tích điện âm này phồng lên rồi thu nhỏ lại. Thay đổi về khối lượng sẽ gây ra áp lực lên cực dương và qua thời gian, áp lực này tích tụ đến độ cực dương ngừng hoạt động. Đó là lý do tại sao pin điện thoại cũ phải sạc thường xuyên hơn pin mới.
"Nếu bạn sạc và xả rất chậm thì sự tích tụ sức ép không là một vấn đề nghiêm trọng nhưng nếu bạn cố sạc và xả quá nhanh thì sức ép ngay lập tức trở thành một vấn đề ...dần dần, hiệu suất pin trở nên ngày một kém hơn và sau đó, tại một số điểm, nó sẽ ngừng hoạt động hoàn toàn", Nikhil Koratkar, đồng tác giả của nghiên cứu và là giáo sư tại RPI giải thích.
Để giải xử lý ép đó, các nhà nghiên cứu phát triển một cực dương mới được làm từ vật liệu nano."Lợi thế của kích thước nano là các cấu trúc thường rất linh hoạt," Koratkar cho biết. "Chúng có thể chịu được sự thay đổi về khối lượng và có xu hướng không bị gãy và hư hỏng."Nhưng vật liệu nano đã được đưa vào thử nghiệm trước đây và trong khi chúng cho thấy một số cải tiến nhất định thì chúng lại không có thời gian sạc-xả nhanh như nanoscoop. Một lần sạc nhanh sẽ rất hữu ích cho xe điện tăng tốc sau khi dừng ở cột đèn đỏ.
Thay vì chỉ dùng một loại vật liệu nano, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một cấu trúc thanh nano cacbon đa lớp được phủ một lớp nhôm mỏng và trên cùng là một cái chụp silicon. Mỗi lớp hoạt động như một “bộ hấp thụ sức ép" cho các lớp tiếp theo, giúp giảm áp lực tổng thể lên mỗi lớp và kết quả là tạo ra một cực dương cải tiến. "Bạn có thể tạo mức tăng áp lực đi từ sức ép bằng 0 chất nền đến một sức ép nhỏ lên lớp cacbon rồi nhiều sức ép hơn lên lớp nhôm. Sau đó, bạn có sức ép tối đa ở lớp trên cùng," Koratkar giải thích. "Graddien áp lực đó có nghĩa là cấu trúc này ít có khả năng bị tách ra hay phá vỡ khỏi lớp hất nền." 
Bước kế tiếp sẽ là mở rộng quy mô cho nanoscoop.Khối lượng điện tích lưu trữ trong một cục pin Li-ion liên quan trực tiếp đến khối lượng của điện cực dương. Và vì nanoscoop rất nhẹ nên nó cần rất nhiều không gian để đạt được  khối lượng cần thiết (khoảng một gam cho một điện thoại di động điển hình). Vì luôn có hạn chế về kích thước đối với thiết điện tử tiêu dùng nên không có một tùy chọn làm cho cực dương lớn hơn theo chiều ngang.
Thay vào đó, các nhà nghiên cứu sẽ phát triển nanoscoop dài hơn để có thể tăng chiều dài từ 170 nm hiện tại của nó đến vài micron. Một kỹ thuật khác sẽ được phát minh để tạo ra nhiều lớp nanoscoop hơn.
Koratkar và các cộng sự đã công bố chi tiết kết quả của mình trên phiên bản online của Tạp chí Nano Letters. 

QN (Theo Sở KH&CN DN)