Thí nghiệm pin 200.000 chu kỳ của Mya Le Thai: Thành tựu đột phá của UCI

Thí nghiệm kéo dài ba tháng với kết quả phi thường

Tại một phòng thí nghiệm ở Đại học California, Irvine, nghiên cứu sinh tiến sĩ Mya Le Thai liên tục sạc và xả một điện cực thử nghiệm cho đến khi đạt 200.000 chu kỳ. Sau ba tháng, các nhà nghiên cứu không phát hiện hiện tượng suy giảm dung lượng hay công suất, cũng không tìm thấy dây nano nào bị đứt gãy. UCI công bố phát hiện này ngày 20 tháng 4 năm 2016, khi nghiên cứu được đăng trên ACS Energy Letters.

Vật liệu này kết hợp dây nano vàng, một lớp phủ mangan dioxide và chất điện phân dạng gel có cấu trúc tương tự Plexiglas. Độ bền của nó có thể giúp giải quyết một vấn đề dai dẳng: những sợi dây nhỏ hữu ích cho việc lưu trữ năng lượng điện thường bị nứt sau nhiều lần sử dụng.

Phát hiện này cũng dẫn đến một tuyên bố gây chú ý: pin máy tính xách tay trong tương lai có thể dùng được 400 năm. Con số đó được tính bằng cách quy đổi số chu kỳ thử nghiệm sang số năm, dựa trên một giả định về tần suất sử dụng. Thành tựu thực tế là điện cực trong phòng thí nghiệm đã chịu được 200.000 chu kỳ trong một thử nghiệm kéo dài ba tháng.

Gần một thập kỷ sau thông báo, kết quả về dây nano vẫn là một minh chứng về tính khả thi trong phòng thí nghiệm. Thai sau đó lấy bằng tiến sĩ và chuyển sang nghiên cứu pin cho phương tiện giao thông chạy điện. Thí nghiệm của bà tiếp tục thu hút sự chú ý vì gợi mở cách giữ các vật liệu pin dễ vỡ nguyên vẹn qua nhiều lần sử dụng.

Lớp gel mỏng đã làm thay đổi thí nghiệm như thế nào

Thai, một nhà nghiên cứu người Mỹ gốc Việt, đang nghiên cứu dây nano thì thử phủ một lớp gel mỏng lên cấu trúc thử nghiệm. Các điện cực vẫn hoạt động khi số chu kỳ thử nghiệm vượt 10.000, rồi vài ngày sau đạt 30.000. Cuối cùng, thử nghiệm đạt 200.000 chu kỳ.

Reginald Penner, tác giả chính của nghiên cứu và khi đó là trưởng khoa Hóa học của UCI, đã mô tả phát hiện bất ngờ này trong thông báo tháng 4 năm 2016 của trường.

Mya thử nghiệm đủ thứ rồi phủ toàn bộ cấu trúc này bằng một lớp gel rất mỏng và bắt đầu cho nó chạy chu kỳ," Penner nói. "Cô ấy phát hiện chỉ cần dùng loại gel này là có thể cho điện cực chạy hàng trăm nghìn chu kỳ mà không mất dung lượng.

Penner cho biết kết quả này gây ngạc nhiên vì các cấu trúc tương tự thường hỏng sau 5.000 đến 7.000 chu kỳ. So với các mốc đó, điện cực của UCI đạt 200.000 chu kỳ, tức khoảng 29 đến 40 lần nhiều hơn. Phép so sánh này cho thấy mức cải thiện so với những cấu trúc mà Penner đề cập.

Yếu tố bất ngờ là lớp gel đã phát huy tác dụng. Để xác định giá trị của nó cần thử nghiệm kéo dài: Thai tiếp tục cho điện cực chạy chu kỳ trong nhiều tháng, đồng thời kiểm tra xem hiệu suất điện hay cấu trúc vật lý của nó có suy giảm hay không.

Vì sao dây nano cần được bảo vệ

Dây nano mỏng hơn sợi tóc người hàng nghìn lần. Chúng dẫn điện tốt và có diện tích bề mặt lớn so với kích thước, nên là vật liệu tiềm năng để chế tạo điện cực, bộ phận trong pin nơi điện tích được lưu trữ và giải phóng thông qua các phản ứng điện hóa.

Việc sạc và xả lặp đi lặp lại gây áp lực lên những cấu trúc này. UCI giải thích rằng dây nano có thể giãn nở và trở nên giòn trong quá trình sử dụng ở pin lithium-ion thông thường. Sau đó, các vết nứt có thể hình thành, làm vỡ vật liệu vốn cần được giữ kết nối để điện cực hoạt động hiệu quả.

Cấu trúc thử nghiệm của Thai có ba thành phần chính. Dây nano vàng tạo thành lõi, mangan dioxide bao quanh lõi, và chất điện phân dạng gel phủ lên toàn bộ cấu trúc. Chất điện phân cho phép các hạt mang điện gọi là ion di chuyển trong thiết bị lưu trữ năng lượng.

Các nhà nghiên cứu cho rằng gel đã làm dẻo oxit kim loại. Nói đơn giản, gel có thể khiến lớp phủ linh hoạt hơn, giúp nó chịu được chuyển động mà không bị nứt. Giữ cấu trúc nguyên vẹn giúp điện cực duy trì hiệu suất qua nhiều chu kỳ sử dụng.

UCI cho biết sau thử nghiệm kéo dài ba tháng, điện cực không có dấu hiệu suy giảm dung lượng hay công suất được phát hiện, cũng không có dây nano bị đứt gãy. Dung lượng cho biết một thiết bị có thể lưu trữ bao nhiêu điện tích; công suất cho biết thiết bị có thể cung cấp năng lượng nhanh đến mức nào. Cả hai đều quan trọng đối với một loại pin hữu dụng.

Ý nghĩa của các chỉ số hiệu suất

Thí nghiệm cũng được mô tả là đạt hiệu suất Coulomb trung bình từ 94 đến 96 phần trăm. Hiệu suất Coulomb so sánh lượng điện tích thu hồi được khi xả với lượng điện tích đưa vào khi sạc. Mức 94 phần trăm nghĩa là cứ 100 đơn vị điện tích cung cấp thì thu hồi được khoảng 94 đơn vị.

Khả năng duy trì dung lượng và hiệu suất Coulomb phản ánh những khía cạnh hiệu suất khác nhau. Khả năng duy trì dung lượng theo dõi xem lượng điện cực có thể lưu trữ có giảm qua nhiều lần sử dụng hay không. Hiệu suất Coulomb theo dõi lượng điện tích đi vào và đi ra trong mỗi chu kỳ. Một điện cực có thể giữ nguyên dung lượng lưu trữ nhưng trả lại lượng điện tích ít hơn lượng nó nhận vào.

Một cấu hình pin nano của Stanford phát triển năm 2007 trước đó đã đạt 40.000 chu kỳ. Mức 200.000 chu kỳ của UCI cao gấp năm lần con số đó, dù hai thiết bị sử dụng cấu hình khác nhau. Vì vậy, cần tính đến thiết kế và điều kiện thử nghiệm khi so sánh kết quả.

Phép so sánh với pin máy tính xách tay cũng rất ấn tượng. So với mức 300 đến 500 chu kỳ thường được nêu cho pin máy tính xách tay thông thường, 200.000 tương đương gấp 400 đến khoảng 667 lần. Những con số này lý giải sự hào hứng quanh thí nghiệm, nhưng để phát triển thành sản phẩm thương mại vẫn cần một viên pin hoàn chỉnh có dung lượng phù hợp, vật liệu thích hợp, độ an toàn và chi phí sản xuất hợp lý.

Con số ước tính 400 năm được tính ra sao

Ước tính này giả định một máy tính xách tay hoàn tất 1.000 chu kỳ sạc trong hai năm, tức 500 chu kỳ mỗi năm. Lấy 200.000 chu kỳ chia cho 500 sẽ ra 400 năm. Mỗi bước tính đều đơn giản, nhưng khoảng thời gian tính theo năm chỉ là phép ngoại suy từ kết quả trong phòng thí nghiệm.

Điện cực của Thai đạt số chu kỳ đó qua quá trình thử nghiệm liên tục trong ba tháng. Pin trong quá trình sử dụng hằng ngày còn có thời gian nằm ở trạng thái sạc một phần, hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thay đổi và phải phối hợp với các linh kiện khác. Một sản phẩm hoàn chỉnh cần được thử nghiệm trong những điều kiện mà người dùng sẽ gặp phải.

Mục tiêu thực tế là kéo dài thời gian sử dụng trước khi phải thay pin. Với người dùng máy tính xách tay, điều đó có thể giúp họ tiếp tục sử dụng cùng một viên pin trong phần lớn vòng đời hữu ích của máy. Với nhà sản xuất xe, đó có thể là một hệ thống lưu trữ năng lượng chịu được nhiều lần sạc và vận hành trước khi cần thay thế.

Những điều các nhà nghiên cứu vẫn cần tìm hiểu

Bài cập nhật tháng 5 năm 2016 của UCI mô tả các nghiên cứu tiếp theo nhằm tìm hiểu lớp phủ mangan dioxide. Các nhà nghiên cứu nhận thấy gel ngăn vật liệu vỡ thành từng mảnh, nhưng vẫn đang tìm hiểu những biến đổi xảy ra bên trong chính vật liệu đó.

Penner, khi đó là tác giả chính và trưởng khoa Hóa học, giải thích nhiệm vụ khoa học tiếp theo.

"Mya đang tiến hành nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn điều gì đang xảy ra với vật liệu mangan dioxide. Chúng tôi biết gel ngăn vật liệu vỡ thành từng mảnh, nhưng chưa biết phần vật liệu còn lại có khác với vật liệu sẽ tồn tại nếu không có gel hay không," Penner nói.

Hiểu được quá trình này rất quan trọng để có thể lặp lại kết quả và điều chỉnh phương pháp cho các vật liệu khác. Nếu xác định được những đặc tính nào của gel và lớp phủ giúp bảo vệ điện cực, các nhà nghiên cứu có thể chủ động hơn trong việc thiết kế những cấu trúc chịu được quá trình sạc lặp đi lặp lại.

Nghiên cứu được tiến hành phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu Biên về Lưu trữ Năng lượng Điện bằng Cấu trúc Nano tại Đại học Maryland. Kinh phí đến từ Ban Khoa học Năng lượng Cơ bản thuộc Bộ Năng lượng Mỹ.

Từ dây nano vàng đến pin ứng dụng thực tế

Vàng là một trở ngại về chi phí đối với sản xuất quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu đã xem xét những lựa chọn rẻ hơn, trong đó có niken, như một hướng đi để tạo ra thiết kế kinh tế hơn. Việc thay thế kim loại cũng đòi hỏi phải kiểm tra xem điện cực mới có giữ được độ bền như cấu trúc ban đầu hay không.

Một viên pin thương mại hoàn chỉnh phải kết hợp tuổi thọ chu kỳ dài với khả năng lưu trữ đủ năng lượng, công suất hữu ích, độ an toàn đáng tin cậy và quy trình sản xuất có chi phí hợp lý. Kết quả của UCI giải quyết một điểm yếu cụ thể trong điện cực thử nghiệm: hư hại vật lý sau nhiều chu kỳ sạc xả. Để biến thành công đó thành sản phẩm, cần đáp ứng đồng thời những yêu cầu còn lại.

UCI nêu máy tính, điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, ô tô và tàu vũ trụ là những ứng dụng tiềm năng. Mỗi loại đặt ra những yêu cầu khác nhau cho pin. Điện thoại cần nguồn năng lượng nhỏ gọn; xe cộ cần hệ thống lớn hơn nhiều, có thể cung cấp công suất đáng kể; tàu vũ trụ đòi hỏi khả năng vận hành đáng tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt.

Sau này, Thai trở thành nhà khoa học chính tại Enevate, một công ty công nghệ pin của Mỹ, và nghiên cứu pin tiên tiến cho phương tiện giao thông chạy điện. Bà cũng nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho các phát minh khác, trong đó có công nghệ nhằm trì hoãn sự lan truyền nhiệt giữa các cell pin. Hiện tượng lan truyền nhiệt xảy ra khi nhiệt từ một cell bị hỏng lan sang các cell lân cận.

Những thông tin về nghiên cứu này chưa công bố thời điểm thương mại hóa công nghệ dây nano vàng. Sự nghiệp sau này của Thai cho thấy bà tiếp tục tham gia phát triển pin, trong đó có các thách thức về độ bền và an toàn vượt ra ngoài thí nghiệm ban đầu.

Các cột mốc của phát hiện

Câu chuyện trải dài từ một kết quả pin nano trước đó, qua nhiều tháng thử nghiệm chu kỳ trong phòng thí nghiệm, đến hai thông báo của UCI trong năm 2016. Đặt các cột mốc này cạnh nhau giúp dễ theo dõi thời điểm và phạm vi của phát hiện.

• 2007: Một cấu hình pin nano khác do các nhà nghiên cứu Stanford phát triển đạt mức 40.000 chu kỳ được công bố.
• Trong thí nghiệm của UCI: Điện cực phủ gel của Thai vượt 10.000 rồi 30.000 chu kỳ, trước khi đạt 200.000 chu kỳ trong ba tháng.
• Ngày 20 tháng 4 năm 2016: UCI công bố kết quả và nghiên cứu được đăng trên ACS Energy Letters.
• Ngày 16 tháng 5 năm 2016: UCI đăng bài cập nhật về nghiên cứu đang tiếp tục nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của gel lên mangan dioxide.
• Sau khi lấy bằng tiến sĩ: Thai tham gia nghiên cứu pin trong ngành công nghiệp và trở thành nhà khoa học chính tại Enevate.

Thai mô tả kết quả qua sự cải thiện độ ổn định vật lý của điện cực và triển vọng chế tạo pin bền hơn. Với vai trò nghiên cứu sinh tiến sĩ dẫn dắt nghiên cứu, bà cho biết:

Điện cực được phủ giữ hình dạng tốt hơn nhiều, khiến nó trở thành một lựa chọn đáng tin cậy hơn," Thai nói. "Nghiên cứu này chứng minh rằng điện cực pin dựa trên dây nano có thể có tuổi thọ dài và chúng ta có thể biến những loại pin như vậy thành hiện thực.

Điểm chính

• Điện cực của Mya Le Thai tại UCI hoàn thành 200.000 chu kỳ trong ba tháng mà không phát hiện suy giảm dung lượng hay công suất hoặc dây nano bị đứt gãy.
• Thiết kế kết hợp dây nano vàng, mangan dioxide và chất điện phân dạng gel mà các nhà nghiên cứu cho rằng giúp ngăn ngừa nứt vỡ.
• Kết quả được đăng trên ACS Energy Letters ngày 20 tháng 4 năm 2016.
• Ước tính 400 năm dựa trên giả định 500 chu kỳ mỗi năm; thử nghiệm trong phòng thí nghiệm kéo dài ba tháng.
• Chi phí vàng và các yêu cầu đối với một viên pin hoàn chỉnh vẫn là những vấn đề trọng tâm trong quá trình phát triển thương mại.
• Sau này, Thai trở thành nhà khoa học chính tại Enevate, nghiên cứu pin cho phương tiện giao thông chạy điện.