Loại pin chạy được suốt 2.000 giờ sắp thay thế pin Lithium truyền thống?

"Tra tấn" viên pin Natri suốt 2.000 giờ và cái kết khiến giới khoa học ngỡ ngàng.

Kỷ nguyên xe điện và thiết bị thông minh đang chứng kiến cuộc chạy đua tìm kiếm vật liệu thay thế cho Lithium – nguồn tài nguyên ngày càng khan hiếm và đắt đỏ. Natri (muối ăn) nổi lên như một ứng cử viên vô địch nhờ trữ lượng dồi dào và giá thành rẻ mạt. Thế nhưng, loại pin này lâu nay vẫn bị giam cầm trong phòng thí nghiệm vì một điểm yếu chí mạng: cực kỳ dễ cháy nổ do chất điện phân lỏng và hiện tượng "mọc gai" kim loại gây đoản mạch bên trong.

Nỗi ám ảnh đó vừa chính thức bị dập tắt bởi đội ngũ nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS). Vũ khí của họ là một chất phụ gia không ai ngờ tới.

Ảnh minh họa.

Theo đó, để thay thế chất lỏng dễ cháy, các nhà khoa học đã hướng tới chất điện phân polyme rắn. Tuy nhiên, polyme rắn thông thường lại dẫn điện rất kém. Nhóm nghiên cứu NUS đã giải quyết bài toán này bằng cách nung urê – một loại thành phần phổ biến trong phân bón hóa học – ở nhiệt độ 550 độ C để tạo ra carbon nitride dạng graphit (GCN).

Khi trộn những tấm GCN siêu mỏng này vào màng polyme, cấu trúc bên trong viên pin đã được tổ chức lại hoàn toàn:

- Độ dẫn ion tăng hơn gấp đôi, giúp các dòng điện di chuyển tự do và mạnh mẽ.

- Độ bền cơ học tăng gấp 3 lần, tạo ra một "tấm khiên" vững chắc cản phá vật lý các nhánh cây dendrite (những gai kim loại sắc nhọn sinh ra trong quá trình sạc xả, nguyên nhân chính chọc thủng pin gây cháy nổ).

"Điều làm cho phương pháp của chúng tôi trở nên mạnh mẽ chính là sự đơn giản", phó giáo sư Palani Balaya từ NUS hào hứng chia sẻ. "GCN được làm từ một trong những tiền chất sẵn có nhất thế giới và có thể đưa ngay vào dây chuyền sản xuất quy mô lớn".

Hiệu quả thực tế của chất phụ gia siêu rẻ này đã khiến giới khoa học phải ngả mũ. Trong khi các loại pin polyme rắn tiêu chuẩn "bỏ cuộc" và hỏng hoàn toàn chỉ sau 250 giờ thử nghiệm, thì phiên bản cải tiến tích hợp GCN đã chạy băng băng suốt 1.000 giờ, và thậm chí vượt mốc 2.000 giờ ở mật độ dòng điện cao hơn mà không xuất hiện bất kỳ lỗi nhỏ nào. Sau 500 chu kỳ sạc xả liên tục, viên pin vẫn giữ được tới 95% dung lượng ban đầu.

Ảnh minh họa pin natri.

Đặc biệt, để chứng minh độ an toàn vô tiền khoáng hậu, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một phiên bản pin dạng túi dẻo. Họ tiến hành gập lại, mở ra, thậm chí là dùng kéo cắt trực tiếp vào viên pin. Kết quả, viên pin không hề xì khói hay phát nổ, mà vẫn tiếp tục cấp nguồn cho bóng đèn LED sáng rực rỡ.

Nghiên cứu chấn động này vừa được vinh danh trên tạp chí khoa học danh tiếng Advanced Functional Materials. Hiện tại, nhóm đang tối ưu hóa để đưa loại pin này hoạt động hoàn hảo ở nhiệt độ phòng, sẵn sàng cho một cuộc lật đổ ngoạn mục trong ngành năng lượng thế giới.