Pin Li-ion mới: dung lượng gấp 8 lần, 6000 vòng sạc-xả, tốc độ nạp điện cực nhanh

Tất cả các anh em Tinh Tế ở đây có lẽ đều có chung ước muốn công nghệ pin trong các thiết bị điện tử ngày càng tốt hơn, thời gian dùng lâu hơn, vòng đời pin dài hơn, pin lâu chai hơn. Vâng, mong muốn đơn giản nhưng mãi vẫn chưa biến thành sự thật. Tuy nhiên, tình hình đang thay đổi. Cuối tháng 3 vừa qua, một bài báo đăng trên tạp chí danh tiếng Nature của nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi nhà khoa học Yi Cui - chuyên gia về pin thuộc Đại Học Stanford, cho biết họ đã thành công trong việc chế tạo một loại pin lithium-ion (Li-ion) mới có khả năng tích điện lớn gấp tám lần loại thông thường trong khi tốc độ nạp điện lên đến 20C (1C tương ứng với khả năng nạp đầy/xả hết điện trong vòng 1h). Bên cạnh đó, loại pin mới còn cho phép số lần sạc-xả lên đến 6000 lần trong khi dung lượng pin vẫn giữ trên 85%. Để các bạn dễ hình dung, pin lithium-ion trong MacBook trung bình chỉ sạc-xả được 1000 lần (gần 3 năm sử dụng) trước khi dung lượng pin sụt giảm xuống dưới 80% ban đầu.


Về cơ bản, một viên pin gồm có hai cực, dương (anốt) và âm (catốt), ở hai đầu; ở giữa sẽ là chất điện phân. Phần lớn các pin lithium-ion hiện nay đều có cực dương làm bằng cacbon (cụ thể là than chì - một dạng thù hình của cacbon) dù từ lâu các nhà khoa học đã biết rằng silic có khả năng lưu điện cao hơn nhiều do một nguyên tử silic có thể liên kết với bốn ion liti trong khi phải 6 nguyên tử cacbon mới liên kết được với một ion. Do đó, anôt bằng silic sẽ giúp pin có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với graphit. Tuy nhiên, cho đến trước khám phá của Yi Cui, người ta vẫn không thể chế tạo pin có cực dương silic do nó sẽ khiến vòng đời của pin quá ngắn. Nguyên nhân là khi sạc, silic hấp thụ quá nhiều ion liti và kích thước anốt theo đó sẽ phình to gấp 4 lần thông thường. Sau khi xả điện, anốt sẽ trở về kích thước cũ. Sự thay đổi kích thước này khiến cho chỉ sau một đôi lần giãn-co, anốt silic đã bị phá hủy.


Giải pháp của Yi Cui là chế tạo anốt bằng các ống nano silic sau đó phủ lên chúng một lớp ôxít silic mỏng. Yêu cầu của lớp phủ ôxit silic là chúng phải đủ mạnh để không cho các ống nano ở phía trong giãn nở to ra, từ đó ngăn được sự phá hủy anốt. Hệ quả là pin mới có thể tồn tại đến 6000 vòng sạc-xả mà không bị hỏng, trong khi dung lượng điện tích lại cao hơn nhiều lần.


Tuy nhiên, câu chuyện chưa hẳn đã hoàn toàn trở nên đơn giản. Vấn đề của cực dương đã được giải quyết nhưng vẫn còn đó vai trò của cực âm và chất điện phân. Anốt đầy ion sẽ vô nghĩa khi catốt không đủ không gian để nhận tất cả chúng trong quá trình di chuyển từ đầu này đến đầu kia để tạo ra dòng điện. Mặc dù vậy, Yi Cui vẫn tin tưởng vào thành công trong chế tạo loại pin mới, có thể ông và các cộng sự đã tìm ra cách giải quyết rồi chăng? Điều này hoàn toàn có thể xảy ra trong khoa học, khi tác giả thường ém nghiên cứu và công nghệ một thời gian trước khi công bố.


Một thông tin thêm là nhà khoa học Yi Cui cũng đồng thời là sáng lập viên công ty Amperius thành lập năm 2008 chuyên nghiên cứu về pin. Trong 3 năm gần đây (2009-2011), số vốn mà công ty thu được khi kêu gọi đầu tư lên đến gần 34 triệu đô, trong đó có thể kể đến tiền từ cựu CEO Google Eric Schmidt, quỹ đầu tư VantagePoint Venture Partners, Trident Capital... và cả của Đại Học Stanford, với mục tiêu hướng đến là thương mại hóa loại pin mới trong thời gian tới. Do đó, với khám phá đang có cộng thêm tiền bạc không phải vấn đề, có lẽ trong thời gian tới chúng ta sẽ thấy loại pin Li-ion này trên thị trường.
Pin Li-ion là loại pin sạc trong đó các ion liti di chuyển từ cực dương về cực âm trong quá trình xả và ngược lại trong quá trình sạc. Cấu tạo của pin gồm cực dương, cực âm và chất điện phân. Thông thường cực dương sẽ là graphit, cực âm là ôxit kim loại và chất điện phân là muối liti trong dung môi hữu cơ. Đây là loại pin phổ biến ngày nay trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như laptop, điện thoại di động...