"Chúng tôi đã phát triển một loại pin sạc bằng nhôm hoàn toàn có thể thay thế các loại pin hiện tại, ví dụ như pin kiềm-vốn rất có hại cho môi trường, hay loại pin Lithium-ion thỉnh thoảng lại gây ra cháy nổ". Giáo sư hóa học Hongjie Dai tại trường Stanford cho biết. "Pin sạc của chúng tôi sẽ không bén lửa- kể cả khi bạn khoan xuyên qua nó."
Nhôm vốn từ lâu là một loại vật liệu đầy hấp dẫn để làm các loại pin, chủ yếu vì giá thành thấp, tính bắt lửa kém và khả năng lưu trữ điện tích cao. Trong suốt nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã nỗ lực không thành công để chế tạo pin sạc aluminum-ion. Trở ngại lớn nhất là tìm ra các vật liệu có khả năng sản sinh ra điện áp đủ lớn sau các vòng lặp đi lặp lại "sạc pin-hết pin."
Âm cực bằng than chì
Pin sạc nhôm-ion có hai điện cực: dương cực làm bằng nhôm được tích điện âm, và âm cực được tích điện dương.
"Người ta đã thử nhiều loại vật liệu khác nhau cho âm cực," Dai cho biết. "Tình cờ chúng tôi phát hiện ra rằng một giải pháp đơn giản là sử dụng than chì-về cơ bản chính là carbon. Trong nghiên cứu, chúng tôi chỉ ra một vài loại vật liệu than chì cho kết quả rất tốt."
Để làm thực nghiệm, nhóm các nhà khoa học Stanford đã đặt dương cực nhôm và âm cực than chì, cùng với chất điện giải ion dạng chất lỏng, bên trong một túi mềm được phủ polymer.
"Chất điện phân cơ bản là một loại
muối hóa học có trạng thái lỏng ở nhiệt độ phòng, cho nên rất an toàn," đồng tác giả Ming Gong cho biết.
Pin sạc làm từ nhôm an toàn hơn nhiều so với loại pin sạc lithium-ion vẫn đang được sử dụng trong hàng triệu laptop và điện thoại cầm tay ngày nay.
"Pin sạc lithium-ion tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ," Dai cho biết.
Như là một minh chứng, GS Dai nhắc đến các quyết định gần đây của các hãng hàng không United và Delta cấm tất cả các loại hàng hóa có pin dạng khối lithium trên các chuyến bay chở khách.
"Trong nghiên cứu, chúng tôi có các
video chỉ ra rằng các bạn có thể khoan xuyên qua một túi pin aluminum, và nó vẫn tiếp tục hoạt động thêm một thời gian nữa mà không hề bắt lửa. Nhưng các loại pin lithium có thể phát nổ mà không thể dự đoán trước được ở đâu-ngoài trời-trên xe hơi hay trong cặp túi của bạn. Không chỉ an toàn, pin nhôm còn có những ưu điểm vượt trội khác nữa."
Một ví dụ là thời gian sạc cực nhanh. Người dùng điện thoại smart-phone đều biết rằng mất nhiều giờ đồng hồ để có thể sạc đầy pin lithium-ion. Nhưng nhóm Stanford đã công bố khoảng thời gian sạc pin cực ngắn chỉ khoảng một phút với mẫu pin aluminum thử nghiệm.
Độ bền cũng là một yếu tố quan trọng khác. Pin aluminum được phát triển tại các phòng thí nghiệm khác thường hỏng chỉ sau 100 lần sạc pin. Nhưng pin của Stanford có thể chịu được 7500 lần sạc mà không có thay đổi gì về khả năng tích điện của pin. " Đây là lần đầu tiên mà pin aluminum-ion với thời gian sạc siêu nhanh được chế tạo thành công với độ bền hàng ngàn lần sạc", các tác giả của nghiên cứu viết.
Để bạn đọc dễ so sánh, Pin lithium-ion chỉ hoạt động trong khoảng 1000 lần sạc.
Một tính năng quan trọng khác của pin aluminum-ion là độ dẻo. Bạn có thể uốn cong và gập nó lại, cho nên pin aluminum có tiềm năng được sử dụng trong các thiết bị điện tử có độ dẻo cao. Nhôm đương nhiên cũng rẻ hơn so với lithium.
Ứng dụng
Ngoài các thiết bị điện tử nhỏ, pin aluminum còn có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng tái tạo trong mạng lưới điện quốc gia.
"Điện lưới quốc gia cần một loại pin tuổi thọ cao mà có thể nhanh chóng lưu trữ và giải phóng năng lượng. Dữ liệu mới nhất mà chúng tôi thu được chỉ ra rằng pin aluminum có thể được sạc đến mười nghìn lần. Thật khó để hình dung đến việc chế tạo một Pin lithium-ion khổng lồ dùng cho lưu trữ điện lưới" Dai cho biết.
Công nghệ Pin aluminum-ion còn đem lại một sự lựa chọn thân thiện với môi trường thay thế cho các loại pin kiềm.
"Hàng triệu người tiêu dùng sử dụng pin 1,5V AA và AAA. Pin sạc aluminum của chúng tôi có thể sinh ra điện áp 2V, cao hơn giá trị bất cứ ai từng đạt được với pin aluminum." Dai cho biết.
Tuy vậy, cần phải có các cải tiến mới để Pin nhôm có thể đạt được mức điện áp như pin lithium-ion.
"Hiện tại Pin nhôm của chúng tôi chỉ đạt được mức điện áp bằng một nửa so với pin lithium-ion. Tuy nhiên cải thiện vật liệu âm cực có thể dẫn đến tăng giá trị điện áp và mật độ năng lượng. Mặt khác, pin của chúng tôi có tất cả những tính năng vượt trội mà người tiêu dùng có thể mơ đến: Điện cực giá rẻ, độ an toàn tốt, thời gian sạc nhanh, tính uốn dẻo và tuổi thọ cao. Theo tôi đây là thế hệ pin mới đầy tiềm năng đang trong những ngày đầu phát triển. Khá là hứng thú." Giáo sư Dai nói thêm.
Nguồn kinh phí cho nghiên cứu đến từ nhiều tổ chức khác nhau: the US Deparment of Energy, the Taiwan Industrial Technology Research Institute, the Stanford Global Climate and Energy project, the Taiwan ministry of Education.