Pin lưu trữ điện năng mới dựa trên các ống nano cácbon

Các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ lần đầu tiên chế tạo thành công kiểu pin lưu trữ điện bằng cách sử dụng một mạng lưới ngẫu nhiên của các ống nanocarbon (carbon nanotubes - CNT). Linh kiện có đặc tính lưu trữ năng lượng tuyệt vời và có thể chế tạo bằng cách sử dụng kỹ thuật "roll-to-roll" hay kỹ thuật xử lý in phun. Điều này có nghĩa là kỹ thuật sản xuất linh kiện này có thể tương thích với những đặc tính của "điện tử in ấn" (printed electronics).

"Kỹ thuật của chúng tôi cho phép tạo ra các pin dựa trên kỹ thuật in từ dung dịch một cách đơn giản" - lãnh đạo nhóm George Gruner cho biết trên tạp chí Nanotechweb.org, "thậm chí chúng tôi có thể "in" hàng loạt pin chỉ đơn giản như in các tờ báo. Có thể một ngày nào đó, chúng ta thậm chí còn in ra hàng loạt các pin như thế này ngay ở nhà mà chỉ cần dùng một máy in phun".

Theo giả định của họ, các linh kiện điện tử "in ấn", hay "chất dẻo" là các linh kiện có thể được tạo ra bằng các sử dụng quá trình in ấn đơn gian và có thể in trên hầu hết các bề mặt kể cả vải thô. Tuy nhiên, vấn đề ở đây là các pin truyền thống không tương thích với các linh kiện kiểu này, bao gồm các thẻ thông minh, báo điện tử, các thiết bị y tế hay các linh kiện điện tử có thể choàng trên người. "Để thực hiện điều này một cách đơn giản, "ngành điện tử in ấn" cần phải có một sức mạnh về in ấn" - Gruner nói một cách hài hước.

Hình 1. Các mạng lưỡi ngẫu nhiên của ống CNT tạo nên cơ cấu của pin lưu trữ năng lượng (Theo Appl. Phys. Lett. 91, 144104 (2007)).

Nhóm nghiên cứu gồm George Gruner và Andreas Kiebele, đã phát triển một kiến trúc pin ắc quy dựa trên các phần tử ở kích cỡ nanomet, ví dụ như ống CNT hay các dây nano khác được tổ hợp bởi các vật liệu tích cực có thể cung cấp năng lượng cho pin. Các dây nano tạo nên một mạng lưới xuyên sâu mỏng hay các màng mỏng, được sử dụng như các điện cực và các bộ góp điện cho thiết bị. "Chúng tôi đã lợi dụng ba thuộc tính quan trọng của mạng lưới này đó là: độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt lớn và độ dẻo dai về mặt cơ học" - Gruner giải thích.

Trong các thiết kế mới, bộ góp điện tích - thường được chế tạo từ các tấm kim loại, các mắt lưới hay các màng mỏng trong các pin truyền thống - đã được thay thể bởi một mạng lưới ngẫu nhiên của các ống nano carbon (CNT). Cơ cấu này cung cấp điện tích cần thiết vận chuyển đến các điện cực của thiết bị. "Các pin này cũng tương tự như các pin truyền thống, với khả năng hoạt động tương tự, nhưng với diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, các mạng lưới cho phép chúng ta có thêm nhiều lợi thế từ các tính chất tuyệt vời của vật liệu ở kích cỡ nanomet" - Gruner bổ sung.

Hình 2. Sản phẩm thử nghiệm (G. Gruner & Nanotechweb.org).

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm cơ cấu này để tạo ra các siêu tụ điện hay các thế hệ linh kiện lưu trữ mới. Ở đây, các điện cực (thông thường sử dụng than chì) cũng đã được thay thế bởi CNT. Các linh kiện này phóng điện cực nhanh nhưng khả năng lưu trữ thì có vẻ nhỏ hơn một chút. "Chúng được chế tạo từ nhiều loại vật liệu nano khác nhau và sử dụng cùng kỹ thuật chế tạo và tạo thành một cặp rất mạnh, có khả năng cung cấp năng lưọng cho nhiều loại linh kiện điện tử khác nhau" - Gruner giải thích thêm.

Ứng dụng của loại linh kiện mới này có thể trải rộng từ lĩnh vực y tế, ví dụ như kiểm tra sức khỏe, dẫn thuốc... cho đến an ninh - ví dụ như trong các thẻ thông minh RFID. Nó cũng có thể tích hợp với các màng mỏng cơ cấu pin mặt trời cho cơ cấu lưu trữ năng lượng mặt trời.

Hiện tại, nhóm đang tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất của thết bị và chứng tỏ khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp ở các bước tiếp theo. "Chúng tôi đã bắt đầu gặp phải vấn đề giá thành nhưng chắc chắn sẽ được cải thiện trong tương lai" - Grunner khẳng định.

Các kết quả nghiên cứu này vừa được công bố trên Applied Physics Letters 91, 144104 (2007).

Vạn lý Độc hành
Theo Nanotechweb.org & American Institute of Physics, Vật lý Việt Nam