Khám phá lớp phủ nano vàng giúp độ bền của pin lên mức kỷ lục 6.000 giờ

Ảnh minh họa mô phỏng công nghệ pin tiên tiến. Ảnh: istock.

Một kỹ thuật mới sử dụng lượng vàng cực nhỏ có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ pin bằng cách giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất của lưu trữ năng lượng: hiện tượng dendrite (các nhánh kim loại dạng kim).

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Concordia phát hiện rằng việc phủ một lớp hạt nano vàng thưa lên bề mặt bên trong của pin có thể làm giảm mạnh sự hình thành dendrite trong pin kẽm.

Những cấu trúc dạng kim này thường xuất hiện trong quá trình sạc, dễ gây đoản mạch và khiến pin hỏng.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia X siêu mạnh tại Trung tâm Canadian Light Source thuộc Đại học Saskatchewan để quan sát cách các hạt nano tương tác với bề mặt pin. Kết quả cho thấy chỉ cần một lớp phủ rất mỏng cũng có thể tạo ra khác biệt lớn.

Theo báo cáo, sự phát triển của dendrite giảm tới 50 lần so với pin kẽm không xử lý. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, pin được cải tiến vẫn hoạt động hơn 6.000 giờ, cho thấy tuổi thọ được nâng cao rõ rệt.

“Việc phủ điện cực vốn đã được biết đến là giúp cải thiện hiệu suất pin, nhưng việc chỉ cần một lượng hạt cực nhỏ cùng cách sắp xếp đặc biệt của chúng lại tạo ra hiệu quả lớn là một phát hiện hoàn toàn mới và rất đáng chú ý”, ông Seungil Lee cho biết.

Cắt giảm mạnh hiện tượng dendrite

Khác với các lớp phủ truyền thống thường cần nhiều vật liệu đắt tiền, phương pháp này chỉ sử dụng các hạt nano vàng phân bố trên chưa đến 10% bề mặt.

Cách phân bố “thưa” này vừa giảm lượng vật liệu cần dùng, vừa vẫn đảm bảo hiệu quả cao.

“Nhờ cách chúng tôi chế tạo - không cần điều kiện phòng thí nghiệm đặc biệt và chỉ sử dụng một lượng vàng rất nhỏ - nên việc phủ các hạt vàng lên bề mặt trở nên cực kỳ rẻ, chỉ bằng khoảng 1/100 chi phí so với các lớp phủ vàng thông thường”, bà Ayse Turak cho biết.

Các nhà nghiên cứu cho rằng yếu tố then chốt nằm ở cách các hạt được sắp xếp. Thay vì tạo thành một lớp liên tục, chúng hoạt động như những “điểm kiểm soát cục bộ”, điều hướng cách kẽm lắng đọng trong quá trình sạc.

Điều này giúp ngăn chặn sự tích tụ không đồng đều - nguyên nhân dẫn đến sự hình thành dendrite.

“Đó thực sự là một phát hiện mang tính đột phá đối với chúng tôi”, bà Ayse Turak chia sẻ. “Lượng vật liệu trên bề mặt ít đến mức gần như không thể phân tích bằng các phương pháp khác. Nhưng nhờ tia X tại Canadian Light Source, chúng tôi thu được tín hiệu rất mạnh, nên có thể quan sát được, xác nhận sự tồn tại của nó và xác định chính xác vị trí của nó trên bề mặt”.

Mở rộng quy mô lớp phủ chi phí thấp

Nhóm nghiên cứu tin rằng phương pháp này có thể mở rộng ra ứng dụng thực tế, đặc biệt vì nó không yêu cầu quy trình sản xuất phức tạp.

Việc sử dụng rất ít vật liệu cùng quy trình đơn giản có thể giúp các giải pháp bảo vệ pin tiên tiến trở nên dễ tiếp cận hơn.

Không chỉ dừng lại ở pin kẽm, các nhà khoa học hiện đang thử nghiệm áp dụng kỹ thuật này cho những hệ thống khác. Những nghiên cứu ban đầu đang hướng tới điện cực đồng trong các loại pin thế hệ mới không có cực dương truyền thống.

Đồng thời, họ cũng xem xét khả năng sử dụng lớp phủ nano thưa trong các công nghệ khác như cảm biến, pin mặt trời và hệ thống chiếu sáng -nơi các tương tác bề mặt đóng vai trò then chốt.

Nếu thành công, phương pháp này có thể trở thành một cách đơn giản nhưng hiệu quả để cải thiện hiệu suất của nhiều công nghệ năng lượng và điện tử mà không làm tăng đáng kể chi phí.