Cellulose – vật liệu tiềm năng chế tạo các pin điện thân thiện môi trường

Theo ước tính của Liên Hợp Quốc, thế giới tạo ra khoảng 40 - 50 triệu tấn chất thải trang thiết bị điện mỗi năm và con số này ngày càng tăng lên.

Thực tế này không có gì ngạc nhiên khi hiệu suất máy tính tăng gấp đôi sau mỗi năm, màn hình phẳng và điện thoại thông minh mới liên tục thay thế do công nghệ cũ đi nhanh chóng trong một vài năm, tất cả những thiết bị cũ này trở thành rác thải.

Rác thải từ các quốc gia công nghiệp hóa thường kết thúc tại bãi rác của những quốc gia nghèo hơn, như các nước châu Phi và châu Á. Địa điểm xử lý rác thải điện tử lớn nhất thế giới nằm ở Agbogbloshie, Ghana, đây cũng là nơi bị ô nhiễm nặng nề nhất trên thế giới.

Gần đây, các nhà khoa học quan tâm đến một ý tưởng, lần đầu tiên được đưa ra năm 1939: Sản xuất các linh kiện điện tử từ cellulose - thành phần chính của vỏ tế bào thực vật nhằm chế tạo các thiết bị điện tử ổn định, dễ dàng phân hủy và thân thiện với môi trường.

Thiết bị điện, pin điện làm từ cellulose. Ảnh minh họa

Trong một báo cáo khoa học gần đây, được đăng trên Tạp chí Advanced Materials (Vật liệu tiên tiến), TS Zhaohui Wang và GS Leif Nyholm thuộc Đại học Uppsala, Thụy Điển, GS Sang-Young Lee và các đồng nghiệp từ Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST), Hàn Quốc, đã phân tích lĩnh vực lưu trữ năng lượng, nghiên cứu và đánh giá tính khả thi của cellulose trong những ứng dụng loại này.

Những thiết bị lưu trữ năng lượng xanh này được cấu thành từ vật liệu tổng hợp dẫn điện và các lớp mỏng của vật liệu điện cực, các bộ thu dòng điện bằng cellulose và bộ phận phân tách chức năng (cách điện).

Cellulose cho thấy là một vật liệu tuyệt vời trong kỹ thuật sản xuất điện cực, bộ phân tách pin, được chế tạo đơn giản là in phun lắng đọng một lớp mỏng vật liệu dẫn điện trên bề mặt của tấm cellulose, chuyển đổi giấy cách điện thành một chất dẻo, dẫn điện cho bộ phận đầu thu điện.

Nghiên cứu cho thấy, cellulose là chất nền hấp dẫn cho các thiết bị lưu trữ năng lượng, chế tạo bằng phương pháp in do tính linh hoạt cơ học cao, ổn định nhiệt và khả năng tái chế. Các nhà khoa học đã chế tạo thành công một siêu tụ điện vi mô từ giấy.

Theo các nhà khoa học, điểm quan trọng cần chú ý là những tính chất đặc trưng của cellulose như độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, sự phân bố kích thước lỗ và sự kết tinh do những đặc tính này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lưu trữ năng lượng.

Vật liệu cellulose có nguồn gốc từ gỗ dẫn điện khác với cellulose từ tảo hoặc bông. Khi chế tạo vật liệu dẫn điện cần có những nghiên cứu sâu nhằm lựa chọn thích hợp những loại sellulose có độ xốp tối ưu.

Độ xốp quá thấp hoặc quá cao sẽ làm giảm hiệu suất của pin. Ngoài ra, hàm lượng nước chứa trong cellulose là một thông số quan trọng khác.

Theo nhóm nghiên cứu, tính linh hoạt và chi phí sản xuất thấp, sử dụng các kỹ thuật in 3D vốn đã được hoàn thiện từ lâu là những yếu tố có ưu thế quyết định cho việc phát triển các thiết bị điện tử từ cellulose. Chính vì vậy, các siêu tụ điện và pin, chế tạo từ cellulose có tiềm năng lớn, cần được ưu tiên nghiên cứu ở cấp độ sản xuất công nghiệp.

Từ những ưu điểm của vật liệu cellulose và khả năng sử dụng các phương pháp sản xuất quy mô lớn hiện có, hệ thống lưu trữ năng lượng từ cellulose sẽ cung cấp những thiết bị mới, thân thiện môi trường, bổ sung cho các trang thiết bị điện tử công nghệ thông thường.