Pin chế tạo từ tinh bột thực vật

Nghiên cứu được dẫn đầu bởi tiến sĩ Shanmugam Kumar từ Trường Kỹ thuật James Watt của Đại học Glasgow (Scotland), cùng với các đồng nghiệp từ Đại học Khoa học và Công nghệ Khalifa ở Abu Dhabi (UAE), Đại học Texas A&M và Đại học Bang Arizona ở Mỹ. Nhóm kỹ sư đã phát triển loại pin mới trong nỗ lực tạo ra pin lithium-ion bền vững hơn, có khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng hiệu quả hơn. Thiết kế và chế tạo của pin được trình bày trong một bài báo đăng trên tạp chí Journal of Power Sources.

Pin Lithium-ion là sự kết hợp hữu ích giữa yếu tố hình thức nhẹ, nhỏ gọn, cùng với khả năng chịu được nhiều chu kỳ sạc và xả. Điều này khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong nhiều loại thiết bị, bao gồm máy tính xách tay, điện thoại di động, đồng hồ thông minh và xe điện. Giống như nhiều loại pin khác, pin lithium-ion bao gồm một điện cực dương, thường được làm từ lithium coban/oxit mangan hoặc lithium sắt photphat; và một điện cực âm, thường được làm từ kim loại lithium. Trong quá trình sạc, các ion lithium chảy qua chất điện phân từ điện cực dương sang điện cực âm nơi chúng được lưu trữ. Trong quá trình sử dụng, các dòng ion di chuyển theo hướng ngược lại, tạo ra năng lượng để cung cấp cho các thiết bị thông qua phản ứng điện hóa.

Một trong những hạn chế vật lý về lượng thiết kế dòng điện hiện tại của pin lithium-ion có thể lưu trữ và giải phóng là độ dày của các điện cực. Điện cực dày hơn hạn chế sự khuếch tán của các ion lithium qua điện cực, do đó hạn chế năng lượng riêng của pin lithium-ion. Tăng độ dày của điện cực cũng làm giảm khả năng chịu biến dạng, khiến chúng dễ bị nứt hơn. Một khi điện cực bị vỡ, pin sẽ trở nên vô dụng.

Pin mới của nhóm kỹ sư Đại học Glasgow có mục đích tạo ra sự cân bằng tốt hơn giữa kích thước và diện tích bề mặt của các điện cực, bằng cách đưa vào thiết kế những lỗ có kích thước nano và kích thước siêu nhỏ. Làm thủng bề mặt và bên trong điện cực bằng các lỗ rỗng có thể làm tăng đáng kể diện tích bề mặt so với điện cực rắn có cùng kích thước bên ngoài. Để làm được điều đó, nhóm kỹ sư sử dụng kỹ thuật sản xuất phụ gia, còn được gọi là in 3D, để kiểm soát chặt chẽ kích thước và vị trí của từng lỗ trong điện cực của pin.

Nhóm đã nạp vào máy in 3D một vật liệu do họ tự phát triển, kết hợp axit polylactic, lithium-iron phosphate và các ống nano carbon. Axit polylactic là một vật liệu phân hủy sinh học được chế biến từ tinh bột của ngô, mía và củ cải đường, để tăng khả năng tái chế của pin. Nhóm cũng thử nghiệm tạo ra các điện cực tròn ở ba độ dày khác nhau là 100, 200 và 300 micromet. Họ kết hợp vật liệu khác nhau cho mỗi loại điện cực được thử nghiệm, thay đổi lượng ống nano cacbon trong hỗn hợp vật liệu từ 3 đến 10% trọng lượng và độ xốp từ 10 đến 70% bằng cách đưa vào các lưới lỗ được kiểm soát chặt chẽ trên khắp điện cực. Kết quả, pin điện cực 300 micromet, độ xốp 70% hoạt động tốt nhất, với dung lượng cụ thể là 151 miliampe/giờ mỗi gam (mAh/g), một loại phép đo tiêu chuẩn về lượng pin có thể sạc. Con số này tương đương khoảng hai đến ba lần hiệu suất của pin lithium-ion truyền thống với điện cực rắn có cùng độ dày.

“Pin lithium-ion ngày càng phổ biến trong cuộc sống hằng ngày. Nó có khả năng tiếp tục tăng ở khắp mọi nơi khi chúng ta hướng tới quá trình điện khí hóa phương tiện giao thông và một thế giới phát triển bền vững hơn. Nhưng pin lithium-ion lại có vấn đề về tính bền vững của riêng chúng. Vì vậy, điều quan trọng là chúng tôi phải tìm ra cách mới để làm cho chúng hoạt động tốt hơn, thân thiện hơn với môi trường”, tiến sĩ Kumar nói.

Nhóm nghiên cứu cho biết, quy trình in 3D mà họ sử dụng mang lại khả năng kiểm soát đáng kể đối với độ xốp của các điện cực, cho phép họ thiết kế chính xác một siêu vật liệu mới có khả năng giải quyết một số thiếu sót của thế hệ pin lithium-ion hiện tại.

“Đây là những kết quả ban đầu đầy hứa hẹn. Chúng tôi muốn tiếp tục khám phá thêm nữa khả năng mà loại vật liệu vi mạch này mang lại để tạo ra những loại pin tốt hơn, có thể tái chế nhiều hơn cho người dùng trong tương lai”, tiến sĩ Kumar nói.