Sạc đầy pin điện thoại trong vòng vài giây với vật liệu mới

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra, thiết bị mới không chỉ loại bỏ sự phiền phức của việc sạc pin, mà còn giải quyết một trong những vấn đề chính giữ là việc giữ lại điện trong các phương tiện.

Nghiên cứu trước đây đã xem xét việc sử dụng các siêu tụ điện như là một thiết bị lưu trữ năng lượng cho các thiết bị điện tử di động. Các siêu tụ điện giải phóng năng lượng trong các vụ nổ lớn, và có tiềm năng đáng kinh ngạc trong việc tạo ra năng lượng trong nền công nghệ của chúng ta.

Vấn đề là chúng chỉ có thể được sử dụng cho những chu kỳ nạp/xả nhanh chóng - hơn là lưu trữ năng lượng dài hạn.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Drexel đã kết hợp các đặc tính của một siêu tụ điện với các pin truyền thống có dung lượng lưu trữ lớn bằng cách sử dụng vật liệu có tên là MXene.

Sạc pin điện thoại trong vòng vài giây (Ảnh: Trường ĐH Drexel)

Nhà nghiên cứu hàng đầu Yury Gogotsi, thuộc trường Cao đẳng Kỹ thuật của Drexel, cho biết: "Bài báo này bác bỏ các tín điều được chấp nhận rộng rãi rằng việc lưu trữ hóa học được sử dụng trong pin ... luôn luôn chậm hơn nhiều so với việc lưu trữ vật lý được sử dụng trong tụ điện hai lớp điện, còn được gọi là siêu tụ điện”.

"Chúng tôi đã chứng minh được khả năng thay pin của các điện cực MXene mỏng trong hàng chục giây. Điều này được kích hoạt bởi tính dẫn điện cao của MXene. Nó mở đường cho việc phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng siêu nhanh, có thể nạp và xả trong vài giây, nhưng lưu trữ nhiều năng lượng hơn siêu tụ điện thông thường”, ông cho biết thêm.

MXene là một vật liệu nanô phẳng trông giống bánh sandwich: bao gồm bánh mì oxit với phần nhân là một carbon dẫn và kim loại. Khi chúng được tạo ra, các lớp MXene xếp chồng lên nhau như Pringle (một loại snack khoai tây chiên nổi tiếng).

MXene có độ dẫn điện xuất sắc và cấu trúc Pringle tạo ra một rào cản khiến cho các ion, hóa chất mang điện tích của nó trở nên khó để truyền qua pin.

Đối với một pin dùng để lưu trữ, ion được giữ trong các cổng gọi là "các địa điểm mà quá trình oxy hóa hoạt động". Càng có nhiều cổng, càng có nhiều pin năng lượng và điều quan trọng là pin cũng phải cho phép các ion di chuyển tự do nếu không chúng có thể không đến được cổng này.

Để cho phép sự di chuyển tự do của ion trong MXene, phải thực hiện những thao tác trên cấu trúc của nó. Các nhà khoa học đã thay đổi cấu trúc của MXene bằng cách kết hợp nó với một hydrogel, biến Pringle thành một cấu trúc giống như một miếng pho mát cho phép các ion tự do di chuyển.

"Trong các pin truyền thống và các siêu tụ điện, các ion chỉ có một con đường quanh co để đến với các cổng lưu trữ, điều này không chỉ làm chậm lại mọi thứ, mà còn tạo ra một tình huống mà chỉ có rất ít ion thực sự đến đích với tốc độ sạc nhanh", Maria Lukatskaya – một trong những nhà nghiên cứu nói.

"Kiến trúc điện cực lý tưởng là có một cái gì đó giống như ion di chuyển đến các cổng thông qua các đường cao tốc đa tốc độ, thay vì sử dụng các làn đường đơn, theo thứ tự chỉ mất một vài giây hoặc ít hơn. "

Cần phải chỉ ra rằng mặc dù công việc trông có vẻ hứa hẹn nhưng vẫn chưa rõ chính xác làm thế nào pin sẽ được nâng cấp để sử dụng trong xe hơi. Nhưng không còn nghi ngờ gì nếu nghiên cứu này kết thúc và pin được sử dụng cho xe ô tô và điện thoại, nó sẽ thay đổi cách sử dụng pin của tất cả mọi người.

Gogotsi cho biết: "Nếu chúng ta bắt đầu sử dụng các vật liệu dẫn điện tử dưới dạng pin điện cực, chúng ta có thể làm cho pin hoạt động tốt hơn rất nhiều so với ngày nay. Cuối cùng, sự đánh giá cao về thực tế này sẽ dẫn chúng ta đến những chiếc xe, laptop và pin điện thoại di động có khả năng sạc với thời gian cực kì ngắn- vài giây hoặc vài phút thay vì hàng giờ."

Nghiên cứu này đã được công bố trong tạp chí Nature Energy.