Bước đột phá trong sản xuất pin sau 2 thế kỷ nhờ nano

Ống nano là chìa khóa trong nỗ lực nâng cao hiệu suất lưu điện trong các ultra-capacitor. (Pnl.gov)

Công nghệ pin truyền thống không tiến bộ mấy so với thiết kế ban đầu của nhà phát minh Alessandro Volta thế kỷ 19. Tuy nhiên, Trung tâm nghiên cứu điện tử - điện từ LEES thuộc Viện công nghệ MIT (Mỹ) đã phát triển thành công một kỹ thuật tạo điện năng linh hoạt có thể thay đổi điều này.

Các nhà khoa học tại LEES đã tập trung vào việc sử dụng cấu trúc ống nano để cải thiện hiệu quả của các thiết bị lưu năng lượng, hay còn gọi là “siêu tụ điện” (ultra-capacitor). Các tụ điện được xạc theo kiểu tuabin (turbo) này lưu năng lượng dưới dạng điện trường nên có hiệu suất cao hơn so với pin thông thường vốn lấy điện ở các phản ứng hóa học.

Thông thường, các siêu tụ điện đem đến khả năng bổ sung năng lượng nhanh nhưng lại có hạn chế lớn là kích thước to hơn nhiều pin thường. Sản phẩm của Trung tâm LEES khắc phục hạn chế này bằng cách lưu các điện trường ở cấp độ nguyên tử. Điều này làm tăng khả năng lưu điện của các thương phẩm ultra-capacitor hiện nay thông qua việc sử dụng các ống nano carbon một lớp (single wall), xếp hàng thẳng đứng với tỷ lệ 30/1000 đường kính một sợi tóc.

Cấu trúc này có thể đem đến khả năng nạp điện cực lớn vì mức lưu năng lượng trong một siêu tụ điện tương ứng với diện tích bề mặt của các điện cực. Các ultra-capacitor hiện nay sử dụng điện tực làm từ carbon hoạt hóa, có rất nhiều lỗ nhỏ li ti và diện tích bề mặt lớn. “Tuy nhiên, các lỗ nhỏ nói trên trong carbon không giống nhau về hình dạng và kích thước và điều đó làm giảm hiệu suất lưu điện. Trong khi đó, các ống nano được xếp hàng thẳng đứng trong tụ điện của Trung tâm LEES có hình dạng đều nhau và có kích thước đường kính chỉ bằng chiều ngang vài nguyên tử. Kết quả có được là một diện tích bề mặt hiệu quả hơn nhiều, giúp tăng cường khả năng lưu điện. Ngoài ra, các siêu tụ điện kiểu mới của LEES có thể được sản xuất với mọi kích thước theo công nghệ truyền thống.

Nhóm nghiên cứu khẳng định: “Siêu tụ điện dùng công nghệ ống nano sẽ kết hợp được cả tuổi thọ và các đặc tính hiệu suất cao của ultra-capacitor thương mại trên thị trường với mật độ lưu điện cao mà chỉ pin hóa chất hiện nay mới có.

P.K. (theo Physics.org)