Phát triển thành công vật liệu mới giúp sạc đầy smartphone trong vài giây

Việc mất thời gian để dừng công việc đang làm và cắm dây điện để sạc điện thoại sẽ sớm chỉ còn là dĩ vãng, bởi các nhà khoa học đang phát triển một bản thiết kế điện cực mới giúp sạc đầy các loại pin chỉ trong vài giây thay vì vài giờ.

Họ thông báo rằng nó không chỉ có thể giải quyết được vấn đề sạc pin điện thoại, mà còn cải thiện được nhược điểm đang kìm hãm thị trường phương tiện giao thông chạy điện.

Các nghiên cứu trước đây vốn đã có ý tưởng sử dụng các siêu tụ điện (supercapacitor) như một thiết bị lưu trữ năng lượng cho các loại thiết bị điện tử bỏ túi. Các siêu tụ điện này sản xuất năng lượng theo từng cụm lớn, và chúng có rất nhiều tiềm năng trong việc cung cấp năng lượng cho công nghệ tương lai.

Nhưng vấn đề của chúng là chúng chỉ có thể được sử dụng trong các chu kỳ sạc điện/phóng điện nhanh thay vì lưu trữ năng lượng lâu dài.

Giờ đây, một đội ngũ từ Trường Đại học Drexel đã kết hợp các đặc tính của một siêu tụ điện với các loại pin truyền thống với sức chứa lớn bằng cách sử dụng một loại chất liệu có tên gọi là MXene.

Hy vọng chúng ta sẽ sớm không còn phải mất thời gian chờ đợi để sạc pin nữa.

“Nghiên cứu này đã bác bỏ hoàn toàn một quan niệm sai lầm rất phổ biến rằng công nghệ lưu trữ năng lượng hóa học, thường được sử dụng trong các loại pin, thì luôn luôn chậm hơn rất nhiều so với công nghệ lưu trữ vật lý sử dụng trong các loại tụ điện hai lớp, hay gọi cách khác là các siêu tụ điện”, nhà nghiên cứu trưởng Yury Gogotsi từ Khoa Kỹ thuật trường đại học Drexel đã nói.

“Ở đây chúng tôi có thể thực hiện mẫu một quá trình sạc các điện cực MXene mỏng chỉ trong vài chục mili giây nhờ vào khả năng dẫn điện của nó. Việc này sẽ cho phép chúng ta phát triển các loại thiết bị sạc nhanh, nhưng đồng thời lại có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn các loại siêu tụ điện thông thường gấp nhiều lần".

MXene là một loại vật liệu nano mỏng trông khá giống chiếc bánh sandwich: bao gồm "lát bánh" ôxít và "nhân" là carbon và kim loại dẫn điện. Khi chúng được sản xuất, các lớp MXene sẽ xếp chồng lên nhau như khoai tây chiên Pringles.

Mặc dù là một vật chất dẫn điện tuyệt vời nhưng cấu trúc xếp chồng (như hộp khoai tây Pringles bán ở siêu thị) cũng tạo ra một hàng rào chắn để ngăn cản quá trình khuếch tán của vật trung chuyển năng lượng hóa học ion qua viên pin.

Để một viên pin có thể lưu trữ được điện năng, ion sẽ được giữ lại trong các cổng có tên gọi là các “vùng phản ứng ôxi hóa khử”. Nếu có càng nhiều cổng, thì pin sẽ giữ được năng lượng càng nhiều, và quan trọng hơn cả là pin cũng phải cho phép ion được di chuyển tự do nếu không chúng sẽ không thể tới được các cổng đó.

Để cho phép các ion trong MXene được di chuyển tự do thì cần phải có một sự thay đổi về mặt cấu trúc.

Các nhà khoa học đã thay đổi cấu trúc của MXene bằng cách kết hợp nó với hydrogel, biến chồng khoai tây Pringle trở thành một cấu trúc gần giống với phô mai Thụy sỹ hơn, qua đó cho phép các ion được di chuyển thoải mái.

“Đối với các loại pin và siêu tụ điện truyền thống, thì đường đi đến các cổng lưu trữ năng lượng của các ion là rất khó khăn”, Maria Lukatskaya, một thành viên trong đội nghiên cứu đã nói.

“Kết cấu điện cực lý tưởng sẽ cho phép các hạt mang điện di chuyển đến các cổng thông qua các "đường cao tốc" đa làn, thay vì những con đường chỉ có duy nhất một làn. Thiết kế điện cực nhiều lỗ này của chúng tôi đã đạt được mục tiêu đó, và cho phép khả năng sạc siêu tốc—chỉ trong một vài giây hoặc thậm chí ít hơn.

Cũng cần phải nói rằng mặc dù công nghệ này có vẻ rất tiềm năng, nhưng hiện chúng ta vẫn chưa rõ được làm cách nào để viên pin từ vật liệu này có thể được nâng cấp kích cỡ lên để sử dụng cho một chiếc xe lớn. Dù vậy, chắc chắn một điều rằng nếu nghiên cứu này được sử dụng rộng rãi trên những chiếc xe và những chiếc điện thoại, nó sẽ thay đổi hoàn toàn cách chúng ta sử dụng pin".

“Nếu chúng ta có thể bắt đầu sử dụng các loại vật chất dẫn điện siêu mỏng làm điện cực của pin, chúng ta sẽ có thể giúp các loại pin hoạt động nhanh hơn rất, rất nhiều so với hiện nay”, Gogotsi nói. “Sớm hay muộn, nếu tận dụng được điều này chúng ta sẽ sớm có những viên pin điện thoại, laptop, và xe hơi hoàn toàn có đủ khả năng để sạc với tốc độ nhanh hơn rất nhiều - chỉ một vài giây, một vài phút chứ không còn đến hàng giờ nữa".

Nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Nature Energy.

Video thí nghiệm với vật liệu MXene.