Pin dạng lỏng: Bước đột phá mở ra thiết kế thiết bị điện tử linh hoạt

Từ điện thoại di động đến đồng hồ thông minh và máy tính xách tay, chúng ta được bao quanh bởi các thiết bị chạy bằng pin. Ngày nay, pin là những khối rắn, chiếm nhiều không gian trong thiết bị. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng có thể uốn dẻo, linh hoạt và thậm chí có thể in được?

Nắm bắt ý tưởng này, các nhà nghiên cứu ở Thụy Điển đã phát triển một loại pin dạng lỏng có thể được định hình thành nhiều dạng khác nhau. Như được trình bày chi tiết trong một nghiên cứu được công bố ngày 11 tháng 4 trên tạp chí Science, pin này sử dụng các điện cực – các vật liệu dẫn điện quan trọng trong pin ở dạng lỏng. Cấu trúc mềm mại mới lạ này mở đường cho các thiết kế sáng tạo của công nghệ chạy bằng pin trong tương lai.

Pin dạng lỏng: Không giới hạn thiết kế

“Pin là thành phần lớn nhất của tất cả các thiết bị điện tử. Ngày nay chúng ở dạng rắn và khá cồng kềnh. Nhưng với một loại pin mềm mại và dễ uốn, sẽ không có giới hạn nào về thiết kế. Nó có thể được tích hợp vào thiết bị điện tử theo một cách hoàn toàn khác và thích ứng với người dùng,” Aiman Rahmanudin, một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết trong một tuyên bố của trường đại học. “Kết cấu của nó hơi giống như kem đánh răng. Vật liệu này có thể được sử dụng trong máy in 3D để tạo hình pin theo ý muốn.”

Theo tuyên bố, những nỗ lực trước đây để tạo ra pin mềm mại, co giãn được dựa vào các tính năng cơ học như kết nối trượt hoặc yêu cầu các vật liệu quý hiếm, gây hại cho môi trường trong quá trình xử lý. Chìa khóa thành công của Rahmanudin và các đồng nghiệp là chuyển đổi các điện cực thành dạng lỏng.

Nguyên lý hoạt động của pin

Để hiểu được tầm quan trọng của thành tựu này, điều quan trọng là phải nhớ lại cách pin hoạt động. Nói một cách đơn giản, pin điện hóa bao gồm hai kim loại khác nhau, hoặc điện cực: cực dương và cực âm. Một phản ứng hóa học làm cho các electron di chuyển từ cực dương sang cực âm – một quá trình mà chúng ta gọi là điện – có thể thực hiện công việc khi nó di chuyển, như cung cấp năng lượng cho bóng đèn hoặc thiết bị. Pin lớn hơn có dung lượng điện lớn hơn, nhưng cũng có các điện cực dày hơn – và do đó cứng hơn.

“Chúng tôi là những người đầu tiên chứng minh rằng dung lượng không phụ thuộc vào độ cứng,” Rahmanudin, người cũng là trưởng nhóm nghiên cứu tại Nhóm Điện tử Mềm của Phòng thí nghiệm Điện tử Hữu cơ thuộc Đại học Linköping, cho biết.

Vật liệu bền vững, thân thiện với môi trường

Các nỗ lực trước đây trong việc phát triển điện cực lỏng dựa vào kim loại lỏng đôi khi bị đông đặc, theo tuyên bố. Để vượt qua những vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhựa có khả năng dẫn điện – gọi là polyme liên hợp và lignin, một sản phẩm thải trong sản xuất giấy. Pin thu được có thể được sạc lại hơn 500 lần, ngay cả khi kéo dài đến gấp đôi chiều dài ban đầu.

Hơn nữa, “vì các vật liệu trong pin là polyme liên hợp và lignin, các nguyên liệu thô rất dồi dào. Bằng cách tái sử dụng một sản phẩm phụ như lignin thành một mặt hàng có giá trị cao như vật liệu pin, chúng tôi đóng góp vào một mô hình tuần hoàn hơn. Vì vậy, đó là một thay thế bền vững”, Mohsen Mohammadi, tác giả chính của nghiên cứu và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Điện tử Hữu cơ của Đại học Linköping, cho biết.

Tiềm năng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ cải thiện điện áp của pin. “Chúng tôi đã chứng minh rằng khái niệm này hoạt động nhưng hiệu suất cần được cải thiện. Điện áp hiện tại là 0,9 volt,” Rahmanudin giải thích. Để so sánh, pin AA tiêu chuẩn có điện áp từ 1,2 đến 1,5 volt và hầu hết điện thoại thông minh hoạt động ở điện áp từ 3,7 đến 4,2 volt. “Vì vậy, bây giờ chúng tôi sẽ xem xét sử dụng các hợp chất hóa học khác để tăng điện áp.”

Bằng cách phá vỡ khuôn mẫu theo đúng nghĩa đen, nghiên cứu này mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới về khả năng thiết kế cho các thiết bị chạy bằng pin.