Các Nhà Khoa Học Công Bố Loại Pin Lithium-Ion Dẻo Siêu Bền

Bê tông xây dựng nên nền móng thế giới hiện đại, nhưng thứ vận hành công nghệ của tương lai đặt trên nền bê tông là pin lithium-ion. Công nghệ pin là nguồn sống của hầu hết thiết bị chạy điện có thể sạc được, từ điện thoại vừa lòng bàn tay cho tới chiếc xe điện. Tuy nhiên, pin lithium-ion cũng giống bê tông - chúng là đứa con hoang dại của tự nhiên được bàn tay con người nhào nặn nên, chất đầy vấn đề khó giải quyết.

Công nghệ pin lithium-ion dựa trên nguyên liệu độc hại, dễ cháy nên chỉ cần hỏng hóc một chút, thiết bị điện dù có nhỏ bé tới đâu cũng sẽ biến thành một quả bom với sức công phá kha khá. Nhưng khoa học chỉ chưa tìm ra giải pháp an toàn.

Các nhà vật lý học tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins (APL) đã và đang cố gắng thiết kế lại pin li-ion, tìm ra một thứ pin an toàn gần mức tuyệt đối. Năm 2017, họ công bố công nghệ pin mới - sản phẩm có được khi hợp tác với Đại học Maryland: một thứ pin vẫn an toàn ngay cả khi bị cắt ra, bị bẻ cong, bị va đập mạnh vào hay khi ngâm trong nước.

Cuối năm 2019, đội ngũ tại phòng thí nghiệm Johns Hopkins đẩy giới hạn ra xa hơn, làm ra được thứ pin chống lửa và có điện áp tương đương với pin hiện có trên thị trường.

Để có được trạng thái “bất tử” (bất tử theo kiểu chống chịu được tổn thương nhưng vẫn có thể chết già), pin phải sở hữu một lớp chất điện phân thực sự hiệu quả; chất điện phân là thứ ngăn cách cực âm và dương của một cục pin. Khi ta sử dụng pin li-ion, các hạt lithium mang điện tích chạy qua một lớp màng chắn nằm trong chất điện phân, đi từ cực âm sang cực dương, rồi trải qua phản ứng hóa học để tạo năng lượng.

Đa số chất điện phân trong pin li-ion sử dụng hợp chất trộn giữa muối lithium dễ cháy và dung dịch độc hại; Jeff Maranchi, trưởng bộ phận nghiên cứu khoa học vật chất tại APL gọi đây là “công thức gây ra thảm họa”. Nếu vách ngăn mỏng bị thủng, pin sẽ chập điện, phản ứng hóa học xảy ra bên trong sẽ khiến nhiệt lượng viên pin vọt cao đột ngột. Và khi nhiệt tìm được đường tới chất điện phân dễ cháy đặt cạnh một cực âm nhiều oxy, sẽ có cho mình một đám cháy “nho nhỏ”.

Pin cấu thành từ nước có thể tránh được thảm kịch trên, với chất điện phân có thành phần chính từ nước sẽ vừa không độc hại mà lại chẳng dễ cháy. Nhưng đã 25 năm, khoa học vẫn chưa thể ứng dụng được thứ pin mới. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại APL cuối cùng cũng tìm dược giải pháp: họ tăng lượng muối lithium có trong hợp chất điện phân, trộn thêm vào đó nhựa polymer, thế là đã có thể tăng hiệu điện thế từ 1.2 volt lên tới 4 volt, tương đương với pin li-ion hiện tại.

Khi Konstantinos Gerasopoulos, nhà nghiên cứu lão thành tại APL và cũng là người dẫn dắt nghiên cứu, tìm được cách gắn cực âm và cực dương sẵn có với chất điện phân mới, họ tạo ra được thứ pin có một không hai. Nó trong suốt và mềm dẻo như kính áp tròng, không độc và cũng không bắt lửa, có thể được sản xuất và vận hành ngoài môi trường mà không cần đặt trong hộp kín. Đặc biệt nhất, đời có quăng quật nó ra sao, pin vẫn không hề hấn gì.

Trong bài thử, nhóm nghiên cứu đưa pin vào nước muối, cắt nhỏ pin bằng kéo, tạo va đập mạnh vào bề mặt pin, đốt cháy nó nhưng viên pin không chịu khuất phục, nó tiếp tục chứng tỏ khả năng trữ điện và xả điện hiệu quả của mình. Sau khi bị nướng lên, các nhà nghiên cứu cắt bỏ phần bị cháy xém, rồi chứng kiến pin tiếp tục hoạt động bình thường được 100 giờ.

Công nghệ pin nước mới không chỉ là sản phẩm thử nghiệm, đội ngũ APL nói rằng họ đã hợp tác với một nhà sản xuất khác, sẽ sớm ứng dụng công nghệ mới vào pin lithium-ion hiện nay; quá trình kết hợp cũ và mới sẽ không gặp nhiều trở lại. Nhiều khả năng, công nghệ sẽ xuất hiện trong vòng 2 năm tiếp theo, và sẽ đưa đồ điện tử lên một tầm cao mới.

Vì khả năng mềm dẻo, công nghệ pin mới sẽ có nhiều đất dụng võ tại các hãng sản xuất đồ điện tử wearable, thậm chí ta sẽ có quần áo thông minh trong tương lai không chừng. Khả năng chống chịu va đập, lửa nóng và ngâm nước không hỏng sẽ là khiến thứ “pin nước” này phù hợp với công nghệ quân sự hay các ngành khoa học khám phá đáy biển sâu hay Vũ trụ vô tận.

Hiện vẫn còn một số chướng ngại công nghệ như vòng sạc - xả của pin vẫn thấp. Pin smartphone hiện tại sở hữu số vòng sạc - xả khoảng 1,000 lần, nhưng pin của APL mới chỉ đạt được 100 lần. Theo giáo sư Konstantinos Gerasopoulos, điều chỉnh thành phần hóa học trong chất điện phân sẽ giải quyết được vấn đề.