Thiết kế mẫu pin thử nghiệm được truyền cảm hứng từ... ruột người

Loại pin thử nghiệm sử dụng lithium-sulphur.

 Điều đáng ngạc nhiên là việc cấu trúc sinh học của nó có thể mở đường cho một nguồn năng lượng mạnh mẽ hơn hiện tại nhiều lần.

Loại pin thử nghiệm sử dụng lithium-sulphur này có thể chứa lượng năng lượng nhiều hơn gấp 5 lần pin lithium-ion thông thường có trong điện thoại và máy tính xách tay của chúng ta. Thiết kế giống ruột người của nó có thể khiến loại pin này có tuổi thọ đủ cao để có thể được sử dụng cho mục đích thương mại.

Đội ngũ nghiên cứu đến từ Đại học Cambridge đã vượt qua một trong những điểm yếu lớn nhất của pin lithium-sulphur, đó là chúng xuống cấp cực kì nhanh, dù tỷ trọng năng lượng của nó là cực kì cao.

Khi pin lithium-sulphur xả điện, sulphur trong cực dương hút lithium từ cực âm. Điều này làm cho các phân tử sulphur biển đổi thành một cấu chúc chuỗi có tên poly-sulphide.

Sau khi vòng quay điện xả-và-nạp diễn ra nhiều lần, những phản ứng hóa học liên tục khiến cực dương chịu áp lực nặng nề, dẫn tới việc những cấu trúc poly-sulphide bị gãy, tràn vào chất điện phân của pin. Điều này khiến cho hai cực của pin liên kết lại với nhau.

Và hiển nhiên khi đó cục pin sẽ hỏng, nó mất đi những phần vật liệu lưu trữ năng lượng. Nhưng đó là lúc thiết kế giống-ruột trở nên hiệu quả.

Đội ngũ nghiên cứu đã phát triển một vật chất cực nhẹ có cấu trúc nano mang thiết kế của những lông tơ siêu nhỏ trong ruột người.

Trong cơ thể người, ruột của chúng ta chứa hàng triệu lông tơ siêu nhỏ. Từ thành ruột, chúng với ra và giúp ta hấp thụ dinh dưỡng từ thức ăn hấp thụ vào.

Lấy cảm hứng từ hệ thống tiêu hóa của chính con người, đội ngũ nghiên cứu đã phát triển một vật chất cực nhẹ có cấu trúc nano mang thiết kế của những lông tơ siêu nhỏ trong ruột người. Nhờ chúng, những poly-electrode khi vỡ ra sẽ không thể tràn vào trong chất điện phân, thay vào đó chúng bị giữ lại bởi những lông tơ vươn ra kia.

Lớp có cấu trúc giống lông tơ ruột này được làm từ những sợ dây kẽm oxide siêu nhỏ, bao phủ hoàn toàn bề mặt chất điện phân của pin. Những dây kẽm này có thể ngăn pin lithium-sulphur xuống cấp một cách cực kì hiệu quả.

Những dây kẽm này có thể ngăn pin lithium-sulphur xuống cấp một cách cực kì hiệu quả.

"Lớp ngăn này cực kì tí hon nhưng lại cực kì quan trọng", nhà khoa học Paul Coxon tại Đại học Cambridge nói. "Nó đưa chúng tôi tiến rất xa trong quá trình phát triển một loại pin hiện đại hơn".

Pin lithium-sulphur đã được nghiên cứu và phát triển nhiều năm trời, nhưng việc nó hỏng rất nhanh khiến việc thương mại hóa loại pin này là bất khả thi. Nhưng giờ đây, nhờ lớp kẽm oxide hoạt động như lông tơ ruột của con người, ta rất có thể có một loại pin vừa mạnh vừa bền.

"Bằng việc lấy cảm hứng từ thế giới tự nhiên này, chúng tôi đã tạo ra một giải pháp giải quyết vấn đề có thể thay đổi hoàn toàn bộ mặt của thế hệ pin tiếp theo", nhà nghiên cứu Teng Zhao nói.

Trong khi thử nghiệm, cấu trúc nano khiến cho pin chỉ mất 0.05% sức chứa sau mỗi lần sạc, thử với 200 vòng sạc. Con số ấy khiến cho loại pin lithium-sulphur này có độ ổn định gần với pin lithium-ion, với sức chứa giảm đi 0.025 cho tới 0.048% với mỗi lần sạc.

Nhờ lớp kẽm oxide hoạt động như lông tơ ruột của con người, ta rất có thể có một loại pin vừa mạnh vừa bền.

Các nhà khoa học vẫn biết rằng mẫu pin thử nghiệm này vẫn mang nhiều tính lý thuyết và vẫn chưa được phát triển thực sự hoàn thiện. Có lẽ ta vẫn phải nhờ nhiều năm nữa để có thể thấy pin lithium-sulphur nằm gọn trong tất cả các thiết bị điện tử của chúng ta.

Nhưng không có lý do gì để mà chán nản cả, hãy nhìn công nghệ đã tiến được bao nhiêu bước dài trong nhiều năm vừa qua. Rất có thể "nhiều năm" kia chỉ là 2 hay 3 năm tới, khoa học tiến chậm nhưng nó vẫn tiến lên từng ngày, ta vẫn còn có cơ sở để tin tưởng vào một tương lai của những viên pin tiên tiến.