Trong khi con người đang chứng kiến sự phát triển không ngừng của smartphone, smarthome và các thiết bị điện tử đeo được trong những năm qua, thì một nghịch lý thật đáng buồn là ngành công nghiệp pin vẫn dậm chân tại chỗ suốt nhiều thập kỉ. Tuy nhiên, một loạt các nghiên cứu về pin mới đây có thể làm thay đổi thực trạng này. Hãy cũng tìm hiểu.
20 phát minh về pin sẽ làm thay đổi tương lai công nghệ
Những bước nhảy vọt về công nghệ di động đã được ghi nhận trong 20 năm qua. Từ chiếc điện thoại cồng kềnh, thô kệch ngày nào nay đã được thay thế bởi những chiếc smartphone siêu nhỏ gọn mà chúng ta luôn mang theo bên mình. Các nhà phát triển thì liên tục tối ưu hóa hệ điều hành, phần mềm để nâng cao trải nghiệm cho người dùng. Tuy nhiên, thời lượng pin của máy lại là một câu chuyện hoàn toàn khác.
Câu chuyện ấy luôn là nỗi ám ảnh với các thiết bị điện tử. Trong khi chúng ta ngày càng được sở hữu những thiết bị siêu nhanh, mạnh mẽ và thông minh, nhu cầu sử dụng từ đó cũng nhiều hơn nên đòi hỏi các thiết bị phải tiêu tốn không ít điện năng. Thế nhưng công nghệ pin ở thời điểm hiện tại chưa thể đáp ứng được điều này.
Nỗi lo hết pin sẽ biến mất khi những công nghệ dưới đây "lên sàn".
Và rồi trong vài năm trở lại đây, thế giới công nghệ đã chứng kiến hàng loạt những nghiên cứu mang tính cách mạng về năng lượng lưu trữ đến từ các trường đại học, viện nghiên cứu. Các công ty công nghệ và nhà sản xuất xe hơi cũng đang chi tiền mạnh bạo cho cuộc chơi này.
Bài viết dưới đây tổng hợp những nghiên cứu, phát minh khả thi nhất sẽ đảm nhận vai trò là nguồn năng lượng mới cho thiết bị công nghệ trong tương lai.
1) Sạc siêu tốc 60 giây Aluminum-ion
Các nhà khoa học tại đại học Stanford đã phát triển một loại pin mới sử dụng tế bào Nhôm và than chì (Aluminum graphite) có thể sạc đầy smartphone trong khoảng một phút.
Sự kết hợp giữa nhôm và than chì sẽ giúp cho chúng có hiệu suất cao, tuổi thọ lâu hơn và an toàn hơn. Tuy nhiên, nguyên mẫu pin Aluminum-ion trong phòng thí nghiệm cho ra công suất thấp hơn gấp đôi so với pin Lithium-ion truyền thống. Cụ thể, mật độ năng lượng điện trung bình trên mỗi kilogram ở pin Lithium-ion là 100 watt, còn với Aluminum-ion thì chỉ dao động trong khoảng 40 watt.
Nhóm nghiên cứu của đại học Stanford lạc quan cho rằng vấn đề này sẽ được sớm khắc phục.
2) Pin Alfa – trụ được 14 ngày và hoạt động nhờ nước
Một bước đột phá về pin Nhôm – không khí cho công suất gấp 40 lần pin Lithium-ion.
Loại pin này có thể sạc lại bằng cách nhúng vào nước. Mỗi lần thao tác như vậy nó có thể hoạt động được 14 ngày liên tục. Công suất của pin là 8100 watt/kg, gấp 40 lần so với lithium-ion. Thật đáng kinh ngạc!
Theo chủ nhân của nó, nhà sản xuất Fuji Pigment (Nhật Bản) thì sản phẩm sẽ ra mắt vào cuối năm nay. Chúng ta hi vọng sẽ sớm nhìn thấy xự hiện diện của loại pin này trên xe điện – bằng cách tận dụng các vòi phun nước cứu hỏa sẵn có tại các trạm xăng để nạp thêm năng lượng cho xe.
3) Pin co giãn
Một nhóm nghiên cứu tại đại học bang Arizona, Mỹ đã phát triển thành công thỏi pin có khả năng kéo giãn, dùng cho đồng hồ thông minh và các thiết bị điện tử đeo được. Ý tưởng của nó bắt nguồn từ bộ môn xếp giấy nghệ thuật Kirigami của Nhật Bản (một biến thể từ Origami).
Thỏi pin được làm bằng một loại vữa gồm than chì (graphite) và Lithium cobalt dioxide, khi kết hợp cùng nhau chúng có khả năng lưu trữ và phóng điện. Nhờ sử dụng kỹ thuật phủ loại vữa này lên các lá nhôm đã được tạo hình Kirigami, thỏi pin này có thể dễ dàng uốn dẻo để tích hợp vào dây đeo của các thiết bị wearable. Xa hơn nữa, họ có thể dệt thỏi pin này vào quần áo nhằm phục vụ nhu cầu theo dõi sức khỏe người dùng.
Ý tưởng từ nghệ thuật gấp giấy Nhật Bản
Nhóm nghiên cứu cho biết thỏi pin này đã có thể làm hoạt động chiếc đồng hồ Samsung Gear 2 sau khi được kéo giãn. Trước sự phát triển nhanh chóng các thiết bị uốn dẻo đeo như hiện này, cơ hội cho pin kéo giãn là rất lớn trong tương lai không xa.
4) Năng lượng từ bề mặt da người
Tận dụng sức mạnh của sự ma sát, một thiết bị được phát triển bởi đại học quốc gia Singapore (NUS) có thể khai thác triệt để nguồn năng lượng điện từ da người. Năng lượng này đủ để thắp sáng 12 bóng đèn LED.
Điều này đồng nghĩa với việc sẽ không còn cần thiết khi sử dụng pin cho thiết bị wearable hay quần áo thông minh trong tương lai nữa.
Nó hoạt động như thế nào? Một điện cực được dùng để thu dòng điện là mẫu giấy bạc dày 50nm. Trên bề mặt của giấy chứa hàng nghìn tế bào silicone có kích thước cực tiểu giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc da.
Khi người dùng cử động, nguồn năng lượng cơ học do ma sát với da được chuyển đổi thành năng lượng điện và năng lượng thu được sẽ tích trữ trong mẫu giấy bạc.
5) Sạc dự phòng Lumopack – nạp đầy iPhone trong 6 phút
Nếu có sản phẩm chỉ cần 6 phút để sạc đầy và cung cấp đủ pin cho một chiếc iPhone, bạn sẽ thử chứ? Lumopack là một sản phẩm như thế.
Sử dụng công nghệ Metal Organic Frameworks (MOF) và hoạt động với công suất 140W nên Lumopack có thể tự nạp đầy trong 30 phút, nạp đầy các smartphone từ 6 – 9 phút. Các cell pin tích hợp có khả năng duy trì hiệu suất sau hơn 1000 chu kỳ nạp xả, gấp 2-3 lần so với tiêu chuẩn công nghệ hiện nay.
Sản phẩm hiện đang gây quỹ trên Kickstarter và bạn được giảm 35% khi đóng góp 69 USD (1,5 triệu đồng) cho dự án. Nếu chi thêm 10 USD, bạn còn được nhận thêm cáp sạc và phụ kiện bảo vệ. Sản phẩm xuất xưởng trong tháng 10.
6) Pin “xếp hình” Jenax J.Flex
Tại triển lãm thiết bị điện tử đeo được (Wearable Expo) đầu năm nay tại Tokyo, công ty Hàn Quốc Jenax đã giới thiệu loại pin có thể uốn cong, gấp lại hay vo tròn như giấy, có tên J.Flex, tương tự như nghiên cứu được đề cập ở mục 3. Tuy nhiên, ưu điểm của J.Flex là có thêm khả năng chống nước.
J.Flex đã vượt qua các bài thử nghiệm an toàn – nó đã được gấp lại hơn 200.000 lần mà không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến hiệu suất.
7) Sạc pin qua không khí Ubeam
Khám phá mới từ công ty khởi nghiệp có tên uBeam cho phép bạn sạc thiết bị như sạc không dây mà không nhất thiết phải đặt 2 thiết bị gần nhau. uBeam dùng sóng siêu âm để truyền tải điện năng. Năng lượng điện được chuyển đổi thành sóng âm để truyền đi, và sau đó được chuyển ngược lại thành năng lượng điện khi nó tới thiết bị nhận.
uBeam được tình cờ phát triển bởi nữ nghiên cứu sinh 25 tuổi – Meredith Perry. Để hiện thực hóa công nghệ này, cô đã sáng lập nên công ty Ubeam và phát triển công nghệ sạc pin qua các bộ phát sóng dày 5 mm. Những bộ phát sóng này có thể gắn vào tường, tích hợp vào các vật trang trí, nội thất trong nhà để có thể phát điện đến điện thoại thông minh, máy tính bảng hay laptop.
Hiện tại công ty của Meredith đang cung cấp giải pháp này cho các quán cà phê, nhà hàng, khách sạn.
8) Năng lượng từ sương mù
Công nghệ pin mới này đang được các nhà khoa học tại MIT nghiên cứu và đã có những thành công bước đầu trong việc tìm ra cách để hấp thụ năng lượng từ sương trong không khí.
Thiết bị tạo ra điện năng này sử dụng các tấm kim loại phẳng xen kẽ để tạo ra điện từ các hạt sương trong không khí. Thử nghiệm ban đầu của các nhà nghiên cứu cho thấy thiết bị này có thể sản xuất một lượng nhỏ năng lượng khoảng 15 picowatt. Nhưng theo Nenad Milijkovic, người đứng đầu dự án này thì mức năng lượng này có thể tăng lên khoảng 1 microwatt trong tương lai.
Lượng điện tạo ra trong nghiên cứu bước đầu không quá lớn, chắc chắn không thể thay thế được các nguồn điện hiện nay. Nhưng nguồn điện dạng này sẽ rất quan trọng và cần thiết ở những nơi hoang vu, hẻo lánh.
9) StoreDot – sạc siêu tốc 30 giây
Công nghệ sạc pin siêu nhanh StoreDot được phát triển bởi bộ phận công nghệ Nano tại đại học Tel Aviv (Israel), có thể hoạt động với tất cả các dòng smartphone hiện nay. Trước đó, thử nghiệm công khai đầu tiên được nhóm thực hiện thành công trên Samsung Galaxy S4 với pin tiêu chuẩn tích hợp.
Để có được tốc độ sạc cực nhanh như vậy, bộ sạc đã được tích hợp công nghệ StoreDot chuyên biệt, gồm hỗn hợp chất bán dẫn sinh học được tạo ra từ các hợp chất hữu cơ tự nhiên Peptides - các chuỗi axit amino ngắn, chất cấu thành nên Protein.
Chi phí sản xuất StoreDot mất 20 USD (khoảng 400,000 đồng) và sẽ được thương mại hóa vào năm 2017.
10) Sạc bằng năng lượng Mặt Trời
Hãng Alcatel đã trình diễn công nghệ sạc pin cho di động dưới ánh sáng mặt trời nhờ tấm nền trong suốt được đặt trên màn hình.
Các chuyên gia phát triển tin rằng phương thức tạo năng lượng như vậy sẽ giải quyết triệt để vấn đề cạn pin mọi lúc mọi nơi, miễn nơi đó có ánh sáng.
Tuy nhiên, đại diện Alcatel nhận định hãng chưa có ý định sẽ ra mắt smartphone sử dụng tầm nền có thể sạc bằng năng lượng Mặt Trời. Họ cần có thêm thời gian để phát triển và đảm bảo rằng tầm nền hoạt động tốt, không gặp trục trặc.
11) Sạc không dây bằng sóng radio
Sạc không dây không còn là khái niệm gì mới mẻ, nó đã có mặt trên một số smartphone như LG G3, Galaxy S5... Tuy nhiên, nhược điểm rất lớn của sạc không dây hiện nay là người dùng vẫn phải đặt thiết bị trên một tấm đế sạc. Energous - một công ty khởi nghiệp ở California mong muốn thay đổi thực trạng này, với chiếc router không dây WattUp ra mắt tại CES 2015.
Công nghệ sạc không dây WattUp của Energous có thể truyền năng lượng không dây ở khoảng cách 6m. Bên trong WattUp giống một router không dây với một anten RF nhỏ tích hợp trong bản mạch in PCB và một chip ASIC chuyên dụng. Khi kết nối được thiết lập, router sẽ gửi các tín hiệu RF ở cùng các giải tần Wi-Fi và tiến hành chuyển đổi những tín hiệu này thành dòng điện DC thông qua một con chip không dây đặc biệt gắn trên thiết bị.
Sản phẩm đầu tiên được ứng dụng công nghệ mới của Energous có thể sẽ xuất hiện trên thị trường trong năm 2016.
Trong thời đại phát triển của smart-devices, rõ ràng WattUp là một thiết bị có tương lai vô cùng tươi sáng.
12) Sạc siêu tốc 26 giây
Các thỏi pin tiểu hiện nay sử dụng phương pháp dùng hóa chất để thúc đẩy phản ứng điện hóa tạo ra dòng điện và tích điện. Trong khi đó, kỹ thuật dùng tụ điện lithium-ion để lưu trữ năng lượng điện từ nhà nghiên cứu Shawn West được xem là hướng đi mới.
Pin tụ điện này có khả năng giữ điện rất lâu, mặc dù vậy theo Shawn West, nếu cất pin trong thời gian dài thì pin vẫn cạn và người dùng chỉ việc cắm sạc chỉ trong 26 giây là đầy.
Mục tiêu gây quỹ trên Kickstarter của Shawn West đã thành công ngoài dự kiến khi chỉ mất 7 ngày để chạm mốc 10.000 USD. Công nghệ pin này sẽ được thương mại hóa trong 1-2 năm tới và trước tiên sẽ được dùng trên các thiết bị di động.
13) Pin Nhôm-không khí cho xe điện
Công ty nghiên cứu phát triển năng lượng Phinergy (Israel) đã phát minh ra một công nghệ mang tính đột phá trong lĩnh vực cung cấp năng lượng cho xe điện.
Sự khác biệt của pin Nhôm-Không khí (Aluminium-air) là mật độ năng lượng khá cao nhờ công nghệ bơm khí oxy tự nhiên vào các cực âm (cathode). Trung bình, mỗi tấm nhôm nặng 0,5 kg có thể chứa 7kW giờ điện, giúp cho xe đi được 32 km, gấp 100 lần so với pin lithium-ion có kích thước tương đương.
Và như vậy, một pin nhôm-không khí nặng 50 kg có thể cung cấp điện cho xe chạy 1.600 km. Phạm vi hoạt động xa nhất của xe động cơ đốt trong hiện nay cũng chưa đạt được đến khoảng cách này!
Pin Nhôm-không khí sau khi cạn dung lượng sẽ được chuyển hóa thành aluminium hydroxide - Al(OH)3 để tái chế và tạo ra pin mới. Do đó, giá thành của pin này sẽ rẻ và có lợi ích kinh tế cao hơn.
Công nghệ pin này thực sự là một thành tựu quan trọng trong ngành công nghiệp xe hơi. Nhờ vào thuộc tính gọn nhẹ, khả năng tái chế linh hoạt, thân thiện với môi trường, pin Aluminium-air sẽ được áp dụng đại trà trên các mẫu xe điện mới trong tương lai.
14) Pin nước... tiểu
Các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm Bristol Robotics tại Bristol, Anh, đã phát triển công nghệ biến nước tiểu của con người thành điện năng, có thể dùng trong smartphone. Và họ đã nhận được khoản trợ cấp của Quỹ Bill and Melinda Gates để phát triển sâu hơn công nghệ này.
Cận cảnh pin vi trùng
Công nghệ này hoạt động như thế nào?
Các nhà khoa học đã chế tạo ra một vật nhỏ có hình tròn được gọi là Pin nhiên liệu từ vi trùng (Microbial Fuel Cell). Bên trong nó là các vi sinh vật có trong nước tiểu, sẽ được dùng để sản xuất điện.
Nước tiểu sẽ được dẫn qua một ống cao su vào các thiết bị chuyển đổi nhiên liệu, tại đây các hợp chất bên trong sẽ bị phá vỡ liên kết và tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, các nhà khoa học nói rằng thách thức lớn nhất là phải tập hợp đủ nhiều thiết bị chuyển đổi này với nhau thì mới có thể cung cấp một sản lượng điện đáng kể.
Dù mới chỉ là những bước đi ban đầu nhưng theo các nhà khoa học cho biết, họ rất lạc quan về tương lai của công nghệ này khi họ cho biết điện được tạo ra có thể sẽ quay trở lại để giải quyết các vấn đề liên quan đến điều kiện vệ sinh và thậm chí còn dùng để sạc được cả điện thoại di động.
15) Năng lượng từ tiếng ồn
Các nhà nghiên cứu tại London, Anh đã tích hợp thành công một cảm biến trên smartphone giúp sạc pin cho thiết bị nhờ tiếng ồn từ môi trường xung quanh.
Theo mô tả, họ sẽ sử dụng kẽm oxit làm chất xúc tác trực tiếp cho quá trình biến đổi các rung động âm thanh thành năng lượng điện. Cụ thể, một cảm biến được gắn trên smartphone hoạt động dựa trên nguyên tắc được gọi là hiệu ứng áp điện (Piezoelectric Effect). Các bộ phát nano (Nanogenerators) sẽ thu thập các tiếng ồn từ môi trường xung quanh và biến thành điện năng.
Cách tạo năng lượng điện dạng này rất phù hợp và hiệu quả khi sử dụng điện thoại hay các thiết bị di động trong môi trường ồn ào như các đô thị, nhà hàng, siêu thị
16) Năng lượng vĩnh cữu
Hãng Tag Heuer (Thụy sỹ) đã cho ra đời phiên bản tiếp theo của chiếc điện thoại “sang chảnh” đầu tiên trên thế giới có khả năng lưu trữ năng lượng vĩnh cửu mang tên Meridiist Infinite.
Để làm được điều này, nhà sản xuất đã khéo léo đặt thêm một tấm pin quang điện trong suốt kẹp giữa lớp màn hình và lớp kính Sapphire. Công suất của tấm pin này đủ mạnh để giúp chiếc máy có thể sống ở chế độ chờ (Standby) mãi mãi mà không cần cắm sạc, ngay cả khi nguồn pin trong máy đã cạn kiệt.
Hiện Meridiist Infinite đang được bán ra với mức giá gần 95 triệu đồng.
17) Pin carbon kép sạc nhanh gấp 20 lần Lithium-ion
Một loại pin carbon dung tích 24 kWh được giới thiệu vào giữa năm 2014 bởi công ty Nhật Bản Power Japan Plus, hứa hẹn sẽ cải thiện thời gian sạc cho xe điện.
Vì carbon là vật liệu phổ biến trong tự nhiên nên chi phí sản xuất thấp hơn lithium-ion. Loại pin có tuổi thọ 3000 lần sạc/xả. Khi hoạt động pin không tỏa nhiệt nên không cần dùng đến hệ thống làm mát, xác suất xảy ra cháy nổ là cực kỳ thấp.
Hãng đã có kế hoạch sử dụng trong các thiết bị y tế, vệ tinh và sẽ cấp phép công nghệ cho các công ty khác sử dụng trên xe điện, chậm nhất là cuối năm nay.
18) Pin hữu cơ, chí phí sản xuất rẻ hơn 97%
Các nhà khoa học ở Viện công nghệ MIT (Mỹ) đã tạo ra điện từ dòng chảy hữu cơ với chi phí tiết kiệm gần 97%. Chỉ với 27 USD (khoảng 587 nghìn đồng) họ đã có thể tạo ra 1kWh điện, trong khi đó phải tốn đến 700 USD (khoảng 15 triệu đồng) mới cho ra lượng điện tương đương ở phương pháp thông thường.
Vật liệu chính được sử dụng là phân tử quinone được tìm thấy trong cây đại hoàng (một loài thực vật có hoa trong họ rau răm). Cách làm này không những có lợi ích về kinh tế hơn so với phân tử kim loại, mà còn dễ dàng thực hiện trên quy mô lớn.
19) Pin cát, cho thời lượng cao hơn gấp 3 lần
Đây là kết quả nghiên cứu của đại học California Riverside, sử dụng cát để làm cực dương thay cho than chì. Ý tưởng này khởi nguồn từ sinh viên thực tập Zachary Favors sau khi anh nhận ra trong cát ở bãi biển có chứa rất nhiều thạch anh (SiO2 - Silic dioxide).
Đầu tiên họ lấy những mẫu cát giàu thạch anh, sau đó nghiền nát chúng ra kích thước nanomet rồi trộn với muối và magie. Sản phẩm thu được sau được đem hỗn hợp đi đun nóng là Silicon tinh khiết.
Chất silicon này rất xốp, cho thời lượng gấp 3 lần than chì nhưng không độc hại, thân thiện với môi trường.
20) Pin nhiên liệu Hyrogen
Sạc di động UPP Hydrogen Fuel Cell sử dụng hydrogen sẽ được bán vào cuối năm nay. Mỗi cell hydrogen có thể cung cấp 5 lần sạc đầy cho một chiếc điện thoại di động. Loại sạc này hỗ trợ cổng sạc USB type A, dòng điện đầu ra 5V, công suất 5W và dung tích 1000mA.
21) Pin Lithium-ion cải tiến, tuổi thọ 20 năm
Công nghệ pin của NTU cơ bản cũng được phát triển từ công nghệ pin Lithium-ion, song thay vì sử dụng thành phần graphite thông thường làm cực âm, nhóm đã thay bằng titanium dioxide (TiO2) dạng gel. Chính sự thay đổi này đã giúp pin của nhóm có tuổi đời kéo dài 20 năm, vượt xa con số 2-3 năm trung bình của các thế hệ pin hiện tại.
21) Pin Nano
Nguyên mẫu pin gồm nhiều lỗ kích thước nano có cấu trúc như tổ ong, nhỏ hơn sợi tóc người khoảng 80.000 lần. Chúng làm nhiệm vụ vận chuyển điện tích giữa các điện cực và trữ điện.
Thời gian sạc đầy pin là 12 phút. Pin có lợi thế về kích thước do đó nó sẽ phù hợp với các thiết bị cỡ nhỏ và siêu nhỏ như smartwatch, chip cấy…
Nghiên cứu này được phát triển bởi Đại học Maryland, do Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ.
Lời kết: Trong khi smartphone, thiết bị điện tử đeo được và thiết bị kết nối Internet đang có tốc độ phát triển chóng mặt thì công nghệ pin vốn là yếu tố cực kỳ quan trọng lại không thực sự thỏa mãn được nhu cầu của người dùng. Do đó, những bước tiến về công nghệ pin trên đây được giới chuyên gia đánh giá là nhiều triển vọng và phần nào có thể dẫn tới cuộc cách mạng thiết bị điện tử và thiết bị nguồn điện trong tương lai.