TS Nguyễn Ngọc Tân (Đại học British Colombia) và các cộng sự đã lần đầu tiên chế tạo thành công loại pin có thể giãn nở, mềm như vải để sử dụng trong các cảm biến thông minh.
Pin sử dụng cho các cảm biến thông minh là xu thế công nghệ phổ biến hiện nay. Chẳng hạn trong lĩnh vực y sinh, có những ứng dụng đòi hỏi người bệnh phải mặc áo thông minh trong khoảng 10 - 12 tiếng/ngày, kể cả khi đi ngủ.
Pin có thể mềm như vải may quần áo được sáng chế.
Nếu dùng một viên pin bình thường thì chắc chắn nó sẽ gây cộm và rất khó chịu cho người mặc. “Nếu không có những viên pin mềm mại và an toàn khi tiếp xúc với cơ thể người thì sẽ khó có thể tiếp tục phát triển được các loại quần áo có cảm biến”, TS Tân nói.
Làm việc tại Phòng Thí nghiệm Thiết kế Quy trình và Vật liệu Tiên tiến, từ năm 2019, TS Tân bắt đầu khảo sát và nhận thấy lĩnh vực pin dẻo cũng đã có nhiều nghiên cứu, tuy nhiên sản phẩm thực tế thì gần như chưa có. Quan trọng hơn, “làm sao để pin tồn tại được lâu (ví dụ khoảng vài năm) và đủ an toàn để mặc trên người, hay thậm chí là giặt được trong máy giặt, thì chưa thấy ai làm được”, TS Tân cho biết.
Chìa khóa công nghệ là vật liệu bọc pin. Vật liệu này phải đáp ứng nhu cầu ngăn sự trao đổi khí và chất lỏng để giảm thiểu sự vận chuyển phân tử từ trong ra và từ ngoài vào của pin; Có mô-đun đàn hồi nhỏ (low modulus) để phù hợp với việc tích hợp vào các thiết bị điện tử co giãn;
Có khả năng tương thích với các thành phần của pin cũng như có tính tương thích sinh học (không gây hại cho cơ thể), đặc biệt là trong các ứng dụng tích hợp liền mạch giữa thiết bị và cơ thể con người; Dễ chế tạo, đặc biệt là có thể sử dụng các quy trình sản xuất có sẵn; Có độ bền cơ học và hóa học trong suốt thời gian sử dụng, ngay cả khi bị biến dạng trong quá trình giặt.
Để giải quyết vấn đề về độ tương thích với cơ thể, nhóm nghiên cứu của TS Tân đã lựa chọn kẽm và mangan dioxide - chất an toàn hơn so với thành phần của pin lithium-ion thông thường - để làm vật liệu tham gia phản ứng hóa học tạo ra dòng điện.
Nhưng vấn đề mấu chốt và cũng là điểm khó khăn nhất trong nghiên cứu này là làm sao để vật liệu có khả năng ngăn nước thẩm thấu vào pin, đồng thời lại kết dính được các lớp vốn khác nhau của pin. Nếu pin có độ kết dính rất tốt giữa các lớp thì khi co kéo hoặc giặt với nhiệt độ nóng lạnh trong máy giặt, các lớp này sẽ dịch chuyển cùng nhau và chống chịu được những tác động đó.
Nhóm quyết định chọn polymer - một loại vật liệu có sẵn, đã được dùng trong lĩnh vực y học nhưng chưa từng được dùng trong nghiên cứu pin trước đây. Khi thử nghiệm với polymer, nhóm nghiên cứu của TS Tân nhận ra, vật liệu này không chỉ có độ ổn định hóa học và khả năng tương thích sinh học cao, mà còn ít bị thẩm thấu nước nhất so với bất cứ vật liệu đàn hồi nào.
Sau hơn một năm trời mày mò thử nghiệm cũng như xây dựng quy trình sản xuất mới (do loại pin này hoàn toàn khác với pin thông thường), nhóm nghiên cứu của TS Tân đã phát triển được một loại pin mới gồm nhiều lớp siêu mỏng, có chứa hỗn hợp kẽm và mangan dioxide nghiền nhỏ (để có thể kéo giãn), và được kết dính bằng cùng một loại polymer.
Khi thử nghiệm trong máy giặt, kết quả cho thấy, pin do nhóm của TS Tân phát triển có thể “sống sót” qua 39 lần giặt mà vẫn hoạt động tốt. “Có thể thấy, với cấu trúc này, pin không bị thấm nước và vẫn đảm bảo được tính toàn vẹn qua nhiều lần sử dụng”, nhóm nghiên cứu chia sẻ.
Để kiểm tra kỹ hơn khả năng chịu đựng của pin, nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Ngọc Tân đã thử nghiệm với cả chế độ giặt lạnh và giặt nóng (lên đến 80°C), mỗi lần giặt kéo dài khoảng 1,5 tiếng đồng hồ. Kết quả thử nghiệm cho thấy, pin vẫn chịu được và hoạt động ổn sau khi giặt.
Sau thành công của nghiên cứu này, TS Tân cho hay, nhóm nghiên cứu của anh đã liên kết chặt chẽ với một số công ty đang theo đuổi các sản phẩm quần áo thông minh để thử nghiệm pin nhằm đánh giá khả năng đáp ứng nhu cầu thực tế. Hiện nay, pin do nhóm của TS Tân nghiên cứu đang có điện áp khoảng 1,5V - thấp hơn so với điện áp 3V của pin lithium-ion do phải cân bằng giữa vấn đề dung lượng và độ an toàn.