Tạp chí khoa học ACS Energy Letters (Hoa Kỳ) vừa công bố báo cáo về một loại pin lithium-ion với các thành phần hoàn toàn có thể co giãn, bao gồm một lớp chất điện phân có thể mở rộng 5000% và nó vẫn giữ được khả năng lưu trữ sạc sau gần 70 chu kỳ sạc/xả.

Tại sao cần pin co dãn được?

Pin này đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về pin cho các thiết bị điện tử đeo được, đảm bảo tính linh hoạt và độ bền.

Pin lithium-ion này có các thành phần hoàn toàn có thể co giãn và khả năng sạc và xả ổn định theo thời gian. - Ảnh: ACS Energy Letters

Pin thông thường sẽ khó có thể co giãn. Tuy nhiên, với nhu cầu hiện nay pin sẽ cần khả năng thay đổi hình dạng để tích hợp vào các thiết bị điện tử dẻo, vốn đang được ưa chuộng trong các thiết bị theo dõi sức khỏe đeo được.

Các nhà nghiên cứu trên tạp chí ACS Energy Letters vừa công bố một loại pin lithium-ion với tất cả các thành phần đều có thể co giãn hoàn toàn, bao gồm lớp điện phân có thể mở rộng tới 5.000%. Với khả năng co dãn kỳ diệu, pin này vẫn giữ được dung lượng lưu trữ năng lượng sau gần 70 chu kỳ sạc/xả.

Nhờ phát hiện này, các thiết bị điện tử có thể uốn cong và co giãn cần pin có đặc tính tương tự. Hầu hết các nhà nghiên cứu đã cố gắng chế tạo loại pin này bằng cách sử dụng vải dẫn điện dệt hoặc các thành phần cứng gấp thành các hình dạng có thể mở rộng, giống như origami. Nhưng đối với một pin thực sự dẻo, mọi bộ phận - cả điện cực thu thập điện tích và lớp điện phân trung tâm cân bằng điện tích - đều phải đàn hồi.

Cho đến nay, các mẫu pin co giãn thực sự chỉ có độ đàn hồi vừa phải, quy trình lắp ráp phức tạp hoặc dung lượng lưu trữ năng lượng hạn chế, đặc biệt là theo thời gian với việc sạc và xả lặp lại. Điều này có thể do kết nối yếu giữa lớp điện phân và điện cực hoặc do sự không ổn định của chất điện phân dạng lỏng, có thể di chuyển xung quanh khi pin thay đổi hình dạng. Do đó, thay vì sử dụng chất lỏng, nhóm nghiên cứu muốn tích hợp chất điện phân vào một lớp polyme được hợp nhất giữa hai màng điện cực linh hoạt, để tạo ra pin hoàn toàn rắn, có thể co giãn.

Các nhà nghiên cứu đã làm thế nào?

Để chế tạo điện cực cho pin hoàn toàn đàn hồi, nhóm nghiên cứu đã phủ một lớp mỏng chất keo dẫn điện chứa các sợi nano bạc, than đen và vật liệu đặc biệt khác lên một tấm bản. Sau đó, một lớp polydimethylsiloxane, một vật liệu đàn hồi thường được sử dụng trong kính áp tròng, được phủ lên trên lớp keo. Ngay trên lớp màng này, các nhà nghiên cứu đã thêm một muối lithium, chất lỏng dẫn điện cao và các thành phần để tạo thành một polyme đàn hồi.

Để chế tạo điện cực cho pin hoàn toàn đàn hồi, nhóm nghiên cứu đã phủ một lớp mỏng chất keo dẫn điện chứa các sợi nano bạc, than đen và vật liệu đặc biệt khác lên một tấm bản. - Ảnh: ACS Energy Letters

Khi được kích hoạt bằng ánh sáng, các thành phần này kết hợp lại tạo thành một lớp rắn, giống như cao su, có khả năng kéo dài đến 5.000% chiều dài ban đầu và có thể vận chuyển các ion lithium. Cuối cùng, chồng các lớp được phủ thêm một màng điện cực khác và toàn bộ thiết bị được bọc trong một lớp bảo vệ.

Khi so sánh thiết kế pin đàn hồi rắn với thiết bị tương tự có chất điện phân lỏng truyền thống, phiên bản mới có dung lượng sạc trung bình cao hơn khoảng sáu lần ở tốc độ sạc nhanh. Tương tự như vậy, pin rắn duy trì dung lượng ổn định hơn trong quá trình hoạt động trong 67 chu kỳ sạc và xả.

Trong các mẫu thử nghiệm khác được tạo bằng điện cực rắn, chất điện phân polyme duy trì hoạt động ổn định trong hơn 1000 chu kỳ, với dung lượng giảm 1% trong 30 chu kỳ đầu tiên, so với mức giảm 16% đối với chất điện phân lỏng.

Vẫn còn những cải tiến cần được thực hiện, nhưng cách tạo pin rắn hoàn toàn co giãn mới này có thể là một bước tiến triển đầy hứa hẹn cho các thiết bị đeo hoặc cấy ghép có thể co giãn và cử động cùng với cơ thể.