Một nhóm nghiên cứu từ Khoa Kỹ thuật tại Đại học Trung văn Hương Cảng (CUHK) ở Hồng Kông do Giáo sư Lu Yi-Chun dẫn đầu đã có một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện pin năng lượng cao. Họ đạt được điều này bằng cách giới thiệu một chất điện phân gốc nước mới cho pin lithium-ion (Li-ion). Chất điện phân mới này thường được dùng trong kem dưỡng da. Nó không tốn kém, không dễ cháy, ít độc hại, thân thiện với môi trường và có thể tạo ra điện áp ổn định cho việc đưa vào sử dụng phổ biến.

Sự biến đổi của pin Li-ion: từ chất hữu cơ dễ cháy sang dạng nước

Chúng ta luôn có thể tìm thấy pin Li-ion trong hầu hết các thiết bị điện tử, công nghệ như điện thoại di động, máy tính xách tay. Nhờ đặc tính có thể sạc lại và hiệu suất năng lượng ổn định, pin Li-ion đã trở thành "nguồn sống" của các thiết bị điện tử. Tuy nhiên, dù đã có nhiều năm nghiên cứu, pin Li-ion vẫn phụ thuộc vào chất điện phân hữu cơ độc hại và dễ cháy để tạo ra năng lượng. Chưa kể các mối nguy hiểm nghiêm trọng về tính an toàn vẫn chưa được đảm bảo. Vụ nổ điện thoại thông minh Samsung và sự kiện pin bốc cháy trong một chiếc máy bay Boeing là một vài ví dụ. 

Ngược lại, pin Li-ion nước không dễ cháy nhờ vào chất điện phân gốc nước, do đó khả năng rủi ro liên quan đến cháy nổ cũng được giảm đáng kể. Nhưng vấn đề của pin Li-ion có chất điện phân gốc nước là mật độ năng lượng thấp do điện áp pin thấp bị giới hạn bởi độ ổn định của nước. Khi điện áp trên 1,23 Vôn, điện phân xảy ra sẽ phá vỡ nước thành hydro và oxy, làm mất ổn định hoạt động của pin và đầu ra điện áp. Các phương pháp hiện tại để tăng điện áp tế bào của pin Li-ion nước thường là việc dùng một lượng lớn muối Li-ion đắt tiền và độc hại để ổn định các phân tử nước. Cách làm này làm tăng vấn đề về chi phí, độc tính và tính bền vững của môi trường. 

Thành phần kem dưỡng da giúp ổn định điện giải gốc nước

Dựa trên nghiên cứu trước đây về pin Li-ion nước, nhóm của Giáo sư Lu đã giới thiệu “sự đông tụ phân tử” (molecular crowding) vào một chất điện phân nước mới để thay vai trò chất ổn định chính của muối Li-ion. “Sự tập trung phân tử” là hiện tượng phổ biến trong các tế bào sống, môt tả một thực tế là tính chất của các phân tử dung dịch có thể bị biến đổi đáng kể khi các đại phân tử (như protein, đường phức, polysacarit…) hoặc các phân tử ưa nước đạt đến một mức độ tập trung nhất định. 

Nhóm của Giáo sư Lu đã chọn poly ethylene glycol (PEG) để tái tạo “sự đông tụ phân tử” trong chất điện phân. PEG là một loại polymer hòa tan trong nước có thể dễ dàng kết hợp vào pin Li-ion nước. Nó cũng là chất nền cơ bản của nhiều loại kem dưỡng da, thậm chí có mặt trong kem đánh răng và được dùng như chất chống tạo bọt trong thực phẩm, đồ uống. 

Khi sử dụng chất ổn định PEG, nhóm nghiên cứu đã mở rộng độ ổn định điện phân nước lên 3,2 Vôn, đồng thời chứng minh hoạt động ổn định của pin để cung cấp mật độ năng lượng cao 75-100 Wh/kg trong 300 chu kỳ dùng chất điện phân mới. Nếu được phủ thêm một lớp gel, điện áp hoạt động có thể còn được cải thiện hơn nữa, lên đến hơn 4 Vôn. Bên cạnh đó, các phản ứng phụ thường gặp đối với phản ứng tiến hóa hydro/oxy trong pin Li-ion nước hầu như đã được loại bỏ. 

“Chất điện phân mới tạo khả năng sử dụng nhiều vật liệu điện cực không thể sử dụng trong các chất điện phân nước thông thường. Quan trong hơn, nghiên cứu này cung cấp nền tảng mới để thiết kế, phát triển một chất điện phân nước với cửa điện áp lớn, độ ổn định cao nhằm nâng mức độ an toàn cho pin, giảm chi phí và tăng sự thân thiện với môi trường”, Giáo sư Lu nói.