Các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Los Angeles (UCLA) vừa đạt được một bước đột phá đáng kể trong công nghệ lưu trữ năng lượng. Nhóm nghiên cứu do Richard Kaner và Maher El-Kady dẫn dắt đã phát triển một loại pin hybrid kẽm-ion với điện cực được chế tạo bằng phương pháp in 3D, có khả năng lưu trữ năng lượng gấp bảy lần so với các hệ thống tương tự hiện nay.
Nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Small, dưới sự chủ trì của Sophia Uemura, người mới nhận bằng tiến sĩ tại UCLA. Cải tiến then chốt nằm ở công nghệ in 3D bằng tia laser cực tím, cho phép tạo ra các điện cực carbon có cấu trúc dạng lưới xốp. Điện cực này sau đó được phủ một lớp oxit vanadi – loại vật liệu có khả năng tích trữ điện tích vô cùng hiệu quả. Diện tích bề mặt của chỉ một gam vật liệu composite này tương đương với khoảng 10 sân quần vợt, tạo ra một không gian tương tác khổng lồ cho các phản ứng điện hóa.
Thiết bị này hoạt động như một hệ thống lai, kết hợp hai cơ chế tích lũy năng lượng: một điện cực thực hiện quá trình xen phủ các ion kẽm tương tự như ở pin truyền thống, trong khi điện cực còn lại tích tụ điện tích trong lớp điện kép giống như siêu tụ điện. Sự kết hợp này cho phép đạt được mật độ năng lượng cao mà không làm ảnh hưởng đến tốc độ sạc và xả. Sau 1.500 chu kỳ sạc-xả trong một buồng thử nghiệm in 3D được thiết kế riêng, các điện cực carbon tiêu chuẩn vẫn duy trì được 98% dung lượng, trong khi với các thiết bị hở thông thường, chúng sẽ mất khả năng hoạt động chỉ sau chưa đầy 100 chu kỳ.
Cấu trúc xốp ba chiều của điện cực đã giải quyết được một thách thức quan trọng: nó làm tăng diện tích bề mặt phản ứng và cho phép tích hợp nhiều vật liệu hoạt tính oxit vanadi hơn đáng kể mà không làm tăng độ dày của điện cực. Các nhà nghiên cứu cũng đã chế tạo một thiết bị thử nghiệm in 3D cải tiến với nắp kín và khoảng cách giữa các điện cực được cố định, giúp mang lại kết quả có độ tin cậy và khả năng tái lập cao hơn so với phương pháp đổ chất điện phân vào cốc hở thô sơ thường dùng trong hầu hết các phòng thí nghiệm hiện nay.
Mặc dù các kết quả này mới chỉ dừng lại ở giai đoạn phòng thí nghiệm và các module pin hoàn chỉnh vẫn chưa được sản xuất, nhưng tiềm năng của khám phá này là rất lớn. Kẽm phổ biến hơn lithium khoảng 100 lần, rẻ hơn đáng kể, đồng thời dễ khai thác và tái chế hơn, khiến công nghệ này trở nên rất hấp dẫn đối với việc lưu trữ năng lượng cố định từ các nhà máy điện mặt trời và điện gió. Để triển khai vào lưới điện thực tế, cần phải vượt qua các rào cản về kỹ thuật và kinh tế, bao gồm việc mở rộng quy mô quy trình in 3D, đảm bảo độ bền lâu dài của vật liệu trong điều kiện vận hành thực tế với sự biến động nhiệt độ, và giảm chi phí sản xuất mỗi kilowatt giờ khi sản xuất hàng loạt.
Khám phá này cho thấy sự kết hợp giữa công nghệ sản xuất tiên tiến (in 3D), khoa học vật liệu (oxit vanadi trong khung carbon xốp) và thiết kế điện hóa (pin lai siêu tụ điện) có thể cải thiện đáng kể các đặc tính của thiết bị lưu trữ năng lượng. Đây là một trong nhiều bước đệm cần thiết trước khi chuyển đổi từ một đột phá trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng công nghiệp và triển khai trên lưới điện rộng rãi.
