Pin kẽm linh hoạt - đột phá cho các thiết bị điện tử

Pin linh hoạt có thể kéo giãn

Sự gia tăng của các thiết bị điện tử linh hoạt đòi hỏi các loại pin hiệu quả về chi phí và có thể mở rộng với hiệu suất cơ học và điện hóa cao. Trong nghiên cứu, được đăng tải trên tạp chí Sản phẩm Năng lượng Tiên tiến (Advanced Energy Products), các nhà khoa học thuộc Đại học California San Diego đã phát triển pin kẽm AgO-Zn trên cơ sở polymer có thể in được, có tính linh hoạt, co giãn được, sạc xả nhiều lần, vòng đời sử dụng lâu dài, dung lượng điện cao và trở kháng thấp

Kết hợp vật liệu polymer siêu đàn hồi làm từ isoprene, một trong những thành phần quan trọng trong cao su và polystyrene, phần nào giống như nhựa thông, các nhà khoa học đã khiến pin in 3D trở nên linh hoạt và có thể co giãn.

Vật liệu mới được gọi là SIS cho phép có thể kéo giãn pin rộng gấp đôi theo các chiều khác nhau mà không bị hư hại.

Oxit bạc kẽm kết hợp với SIS được tạo thành loại mực, sử dụng để in 3D pin. Pin kẽm được sử dụng từ lâu nhưng chỉ dùng một lần, không thể sạc lại được. Để có thể sạc và tái sử dụng, các nhà nghiên cứu đã thêm oxit bismuth vào điện cực pin.

Pin nguyên mẫu của các nhà nghiên cứu có dung lượng bằng 1/5 pin sạc cho máy trợ thính, nhưng lại mỏng bằng 1/10, rẻ hơn đáng kể, sử dụng vật liệu thông thường. Hai pin này đủ để cung cấp nguồn điện cho đèn LED 3V.

Các nhà khoa học đang tìm giải phát nhằm tăng hiệu suất của pin. Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng ứng dụng công nghệ này sang các lĩnh vực khác như pin mặt trời và pin nhiên liệu, đồng thời tiến vào lĩnh vực trang thiết bị điện tử sử dụng pin.

Sử dụng kỹ thuật in lụa

Để chế tạo pin, các nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật in lụa truyền thống, giúp giảm đáng kể chi phí của công nghệ. Một quả pin in 3D có giá chỉ 0,5 đô la nhưng tương đương một loại pin sạc có giá đến 5 đô la, đang lưu hành thương mại.

Pin có thể được in trực tiếp trên vải hoặc các vật liệu mềm khác, cho phép có thể đeo thiết bị trên da. Nhà sản xuất có thể in các pin dạng dải dài, cấp nguồn cho hệ thống cần nhiều năng lượng điện hơn. Loại pin in hoạt động bền vững trong thời gian dài và có thể đeo trên tay.

Các điện cực phản ứng với chất điện phân lỏng trong pin khi pin kẽm phóng điện, tạo ra muối kẽm hòa tan vào dung dịch. Hiện tượng này sinh ra đoản mạch trong pin. Việc đưa oxit bitmuth nhằm bảo vệ cho điện cực không mất kẽm vào chất điện phân. Nhờ đó pin có thể được sạc và  tiếp tục sử dụng lại.

Nhưng trước đây AgO (oxit bạc) chưa từng được sử dụng trong pin in dạng màn hình, do AgO có tính oxy hóa cực cao và nhanh chóng phân hủy hóa học. Các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tại UC San Diego đã xác định một giải pháp tạo ra mực khiến AgO có thể in bằng cách thử nghiệm những dung môi và chất kết dính khác nhau. Trong trường hợp nếu mực là sơn lót, pin có thể được in chỉ trong vài giây. Trong vài phút, pin in đã khô và sẵn sàng cho sử dụng. Theo phương pháp in cuộn sang cuộn, pin có thể được sản xuất với tốc độ cao, cho phép mở rộng đầu ra sản phẩm.

Pin dẻo oxit bạc - kẽm sử dụng nhiều lần

Pin được in trên màng polymer đàn hồi, ổn định về mặt nhiệt động lực học với nhiệt độ nóng chảy cao có thể hàn nhiệt (khoảng 200 độ C hoặc 400 độ F). Các tờ in pin dạng màn được xếp chồng lên nhau tạo ra một tập hợp pin cùng cực dương kẽm, cực âm AgO và các tấm cách ly điện đi cùng.

Nhóm nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn chu kỳ hoạt động của pin, tìm cách giảm trở kháng, tìm kiếm các công nghệ sạc nhỏ và nhanh hơn nhằm sử dụng trong các thiết bị 5G và robot mềm có công suất cao, các trang thiết bị mang đeo có hình thức linh hoạt và nhỏ gọn.

GS Meng, giám đốc Trung tâm Năng lượng và Năng lượng Bền vững tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs cho biết, hiểu được cơ chế khoa học sẽ cho phép chúng ta biến pin không sạc lại thành pin sạc - không chỉ là pin kẽm mà còn các lưu trữ điện hóa học khác như lithium-oxy.