Tiến sĩ Trương Quang Đức – nhà khoa học người Việt tại Đại học Tohoku, Nhật Bản mới đây vừa sáng chế ra loại pin thế hệ mới không gây cháy nổ đồng thời nâng tuổi thọ pin lithium lên đến 50 năm. Đây là một bước tiến có tính đột phá trong lĩnh vực khoa học công nghệ pin.
TS Trương Quang Đức (áo trắng hàng 3, ngoài cùng bên phải) cùng nhóm nghiên cứu tại đại học Tohoku.
Hiện nay, các thiết bị điện tử cầm tay như máy tính điện thoại và thậm chí ô tô điện đều sử dụng công nghệ pin Lithium với vật liệu LMO, loại pin không an toàn có nhiều nguy cơ cháy nổ đặc biệt khi dùng trong điều kiện công suất cao và không phù hợp để sử dụng trong việc nạp và xả pin liên tục nhiều lần.
Các nhà khoa học của Đại học Tohoku cùng các nhà khoa học Nhật Bản đã bắt tay giải quyết vấn đề này bằng cách nghiên cứu các thế hệ pin mới dựa trên sự trao đổi nguyên tử Magiê, thay thế cho nguyên tử Lithium.
Lithium là kim loại phản ứng rất nhạy với nước và các chất hữu cơ có hydro sinh ra khí hydro tác nhân gây nổ khi pin nóng lên trong quá trình sạc xả.
Ngược lại, Magiê là kim loại rất bền nhiệt và không có phản ứng trong môi trường không khí và nước. Do đó pin Magiê không gây cháy nổ rất thích hợp cho ô tô điện trong tương lai.
Loại pin thế hệ mới này sử dụng điện cực Magiê Mangan spinel oxit nhúng trong chất điện ly Magiê perclorat. Trong quá trình thí nghiệm, các nhà khoa học phát hiện ra loại pin này có thể cung cấp trữ năng 400 Wh/Kg, cao gấp 1,5 lần trữ năng của LCO hay NMC trong ô tô điện hiện nay.
Bất ngờ hơn, quá trình thử nghiệm độ bền của pin cho thấy, pin trải qua 50.000 lần mà không có sự suy giảm nào trong công suất, điện năng.
Các thế hệ pin Lithium có khả năng chịu được 5.000 lần sạc xả tương đương tuổi thọ 5 năm. Trong khi đó, loại pin công nghệ mới có khả năng kéo dài thời lượng sử dụng pin của máy tính, điện thoại thông minh, ô tô đến 50 năm.
Pin Magiê trong quá trình thử nghiệm, cấu trúc nguyên tử vật liệu và trữ năng (capacity).
Giáo sư Itaru Honma, Trưởng trung tâm nghiên cứu công nghệ pin Đại học Tohoku cho biết: "Tiến sĩ Đức đã thiết kế loại pin mới sử dụng vật liệu spinel oxít và bắt đầu thử nạp xả nó. Sau đó, chúng tôi vô cùng bất ngờ, thiết bị pin mới này có khả năng sạc xả hàng chục vạn lần mà không bị giảm dung lượng. Trong khi đó pin thông thường giảm tuổi thọ nhanh chóng chỉ sau khoảng vài ngàn lần sạc".
Bằng các quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao, các nhà nghiên cứu hiện phát hiện ra một lớp mỏng có cấu trúc khác lạ giúp cho điện cực siêu bền ở điều kiện nạp xả trong chất điện ly.
Tuy nhiên các nhà nghiên cứu chưa thỏa mãn với trữ năng của vật liệu Mangan, nên họ đang tiếp tục thử nghiệm một vài lựa chọn thay thế khác trước khi bắt đầu cùng các công ty sản xuất sản phẩm tung ra thị trường.
Công trình nghiên cứu pin Magiê được tài trợ bởi chương trình đẩy mạnh nghiên cứu thế hệ pin mới (SPRING-Specially Promoted Research for Innovative Next Generation Batteries), của Bộ Khoa Học Công Nghệ Nhật Bản, đã được Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ công nhận và đăng trên tạp chí Chemistry of Materials tháng 8 năm 2017, hiện nay vừa hoàn thành quá trình thử nghiệm độ bền sạc xả.
Trao đổi với PV Dân trí, TS Trương Quang Đức cho biết: "Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục thử ứng dụng các vật liệu từ Niken và Cobalt thay cho Mangan để tăng lượng trữ năng của loại pin thế hệ mới này. Trong tương lai chúng tôi sẽ đăng ký bằng sáng chế và cùng các công ty Nhật Bản đưa vào sản xuất các vật liệu pin mới này".
TS Trương Quang Đức là nhà khoa học người Việt, hiện đang làm trợ lý Giáo Sư tại đại học Tohoku, Nhật Bản. Đây là 1 trong 3 trường ĐH hàng đầu của Nhật Bản và nằm trong top 80 trường ĐH tốt nhất trên thế giới.
Hiện ông hoạt động trong lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu về công nghệ pin thế hệ mới, hợp tác cùng các công ty Hitachi và Panasonic. Ông từng có một số công trình nghiên cứu về pin thế hợi mới cùng cộng sự đã công bố.
Ông có hơn 50 công trình đăng trên các tạp chí khoa học quốc tế trong danh mục ISI, trong đó có các tạp chí hàng đầu về vật liệu và năng lượng: Nano Letters, Journal of Power Source.
Ông là một trong 100 nhà khoa học trẻ của Việt Nam tại nước ngoài tham gia chương trình Đổi mới Sáng tạo do Chính phủ Việt Nam, Bộ Khoa học Công nghệ, và Bộ Kế hoạch Đầu tư tổ chức vào tháng 8/2018 tại Việt Nam.
TS Trương Quang Đức (áo trắng hàng 3, ngoài cùng bên phải) cùng nhóm nghiên cứu tại đại học Tohoku.
Hiện nay, các thiết bị điện tử cầm tay như máy tính điện thoại và thậm chí ô tô điện đều sử dụng công nghệ pin Lithium với vật liệu LMO, loại pin không an toàn có nhiều nguy cơ cháy nổ đặc biệt khi dùng trong điều kiện công suất cao và không phù hợp để sử dụng trong việc nạp và xả pin liên tục nhiều lần.
Các nhà khoa học của Đại học Tohoku cùng các nhà khoa học Nhật Bản đã bắt tay giải quyết vấn đề này bằng cách nghiên cứu các thế hệ pin mới dựa trên sự trao đổi nguyên tử Magiê, thay thế cho nguyên tử Lithium.
Lithium là kim loại phản ứng rất nhạy với nước và các chất hữu cơ có hydro sinh ra khí hydro tác nhân gây nổ khi pin nóng lên trong quá trình sạc xả.
Ngược lại, Magiê là kim loại rất bền nhiệt và không có phản ứng trong môi trường không khí và nước. Do đó pin Magiê không gây cháy nổ rất thích hợp cho ô tô điện trong tương lai.
Loại pin thế hệ mới này sử dụng điện cực Magiê Mangan spinel oxit nhúng trong chất điện ly Magiê perclorat. Trong quá trình thí nghiệm, các nhà khoa học phát hiện ra loại pin này có thể cung cấp trữ năng 400 Wh/Kg, cao gấp 1,5 lần trữ năng của LCO hay NMC trong ô tô điện hiện nay.
Bất ngờ hơn, quá trình thử nghiệm độ bền của pin cho thấy, pin trải qua 50.000 lần mà không có sự suy giảm nào trong công suất, điện năng.
Các thế hệ pin Lithium có khả năng chịu được 5.000 lần sạc xả tương đương tuổi thọ 5 năm. Trong khi đó, loại pin công nghệ mới có khả năng kéo dài thời lượng sử dụng pin của máy tính, điện thoại thông minh, ô tô đến 50 năm.
Pin Magiê trong quá trình thử nghiệm, cấu trúc nguyên tử vật liệu và trữ năng (capacity).
Giáo sư Itaru Honma, Trưởng trung tâm nghiên cứu công nghệ pin Đại học Tohoku cho biết: "Tiến sĩ Đức đã thiết kế loại pin mới sử dụng vật liệu spinel oxít và bắt đầu thử nạp xả nó. Sau đó, chúng tôi vô cùng bất ngờ, thiết bị pin mới này có khả năng sạc xả hàng chục vạn lần mà không bị giảm dung lượng. Trong khi đó pin thông thường giảm tuổi thọ nhanh chóng chỉ sau khoảng vài ngàn lần sạc".
Bằng các quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao, các nhà nghiên cứu hiện phát hiện ra một lớp mỏng có cấu trúc khác lạ giúp cho điện cực siêu bền ở điều kiện nạp xả trong chất điện ly.
Tuy nhiên các nhà nghiên cứu chưa thỏa mãn với trữ năng của vật liệu Mangan, nên họ đang tiếp tục thử nghiệm một vài lựa chọn thay thế khác trước khi bắt đầu cùng các công ty sản xuất sản phẩm tung ra thị trường.
Công trình nghiên cứu pin Magiê được tài trợ bởi chương trình đẩy mạnh nghiên cứu thế hệ pin mới (SPRING-Specially Promoted Research for Innovative Next Generation Batteries), của Bộ Khoa Học Công Nghệ Nhật Bản, đã được Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ công nhận và đăng trên tạp chí Chemistry of Materials tháng 8 năm 2017, hiện nay vừa hoàn thành quá trình thử nghiệm độ bền sạc xả.
Trao đổi với PV Dân trí, TS Trương Quang Đức cho biết: "Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục thử ứng dụng các vật liệu từ Niken và Cobalt thay cho Mangan để tăng lượng trữ năng của loại pin thế hệ mới này. Trong tương lai chúng tôi sẽ đăng ký bằng sáng chế và cùng các công ty Nhật Bản đưa vào sản xuất các vật liệu pin mới này".
TS Trương Quang Đức là nhà khoa học người Việt, hiện đang làm trợ lý Giáo Sư tại đại học Tohoku, Nhật Bản. Đây là 1 trong 3 trường ĐH hàng đầu của Nhật Bản và nằm trong top 80 trường ĐH tốt nhất trên thế giới.
Hiện ông hoạt động trong lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu về công nghệ pin thế hệ mới, hợp tác cùng các công ty Hitachi và Panasonic. Ông từng có một số công trình nghiên cứu về pin thế hợi mới cùng cộng sự đã công bố.
Ông có hơn 50 công trình đăng trên các tạp chí khoa học quốc tế trong danh mục ISI, trong đó có các tạp chí hàng đầu về vật liệu và năng lượng: Nano Letters, Journal of Power Source.
Ông là một trong 100 nhà khoa học trẻ của Việt Nam tại nước ngoài tham gia chương trình Đổi mới Sáng tạo do Chính phủ Việt Nam, Bộ Khoa học Công nghệ, và Bộ Kế hoạch Đầu tư tổ chức vào tháng 8/2018 tại Việt Nam.
Theo Dân Trí