Vật liệu mới có thể tạo ra pin cấy lâu hơn

Vật liệu mới có thể tạo ra pin cấy lâu hơn

    Vật liệu mới có thể tạo ra pin cấy lâu hơn
    bởi David L. Chandler, Viện Công nghệ Massachusetts

    New materials could enable longer-lasting implantable batteries
    Loạt ảnh tua nhanh thời gian cho thấy loại pin mới sẽ cạn kiệt trong khoảng thời gian vài ngày. Trong quá trình phóng điện, vật liệu "catholyte" mới trong tế bào pin bị bao phủ về mặt hóa học thành một hợp chất màu đỏ, do đó màu càng đậm khi nó phóng điện càng nhiều. Ảnh: Viện Công nghệ Massachusetts


    Trong vài thập kỷ gần đây, nghiên cứu về pin chủ yếu tập trung vào pin lithium-ion có thể sạc lại, được sử dụng trong mọi thứ từ ô tô điện đến thiết bị điện tử di động và đã được cải thiện đáng kể về khả năng chi trả và dung lượng. Tuy nhiên, pin không thể sạc lại được ít được cải thiện trong thời gian đó, mặc dù vai trò quan trọng của chúng trong nhiều mục đích sử dụng quan trọng như các thiết bị y tế cấy ghép như máy điều hòa nhịp tim.

    Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT đã tìm ra một cách để cải thiện mật độ năng lượng của những loại pin "sơ cấp", không thể sạc lại này. Họ nói rằng nó có thể cho phép tăng thời gian sử dụng lên đến 50% hoặc giảm kích thước và trọng lượng tương ứng cho một lượng điện năng hoặc công suất năng lượng nhất định, đồng thời cải thiện độ an toàn mà không hoặc không tăng chi phí.

    Các phát hiện mới, liên quan đến việc thay thế chất điện phân pin không hoạt động thông thường bằng một vật liệu hoạt động để cung cấp năng lượng, được báo cáo hôm nay trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, trong một bài báo của MIT Kavanaugh Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Haining Gao, nghiên cứu sinh Alejandro Sevilla, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí Betar Gallant, và bốn người khác tại MIT và Caltech.

    Gallant cho biết, việc thay thế pin trong máy điều hòa nhịp tim hoặc thiết bị y tế khác đòi hỏi một quy trình phẫu thuật, vì vậy bất kỳ sự gia tăng nào về tuổi thọ của pin đều có thể có tác động đáng kể đến chất lượng cuộc sống của bệnh nhân. Pin tiểu được sử dụng cho các ứng dụng thiết yếu như vậy vì chúng có thể cung cấp năng lượng gấp khoảng ba lần cho một kích thước và trọng lượng nhất định như pin có thể sạc lại.

    Sự khác biệt về dung lượng đó, Gao nói, khiến pin tiểu trở nên "quan trọng đối với các ứng dụng không thể sạc hoặc không thực tế". Vật liệu mới hoạt động ở nhiệt độ cơ thể con người, do đó sẽ thích hợp cho việc cấy ghép y tế. Ngoài các thiết bị cấy ghép, với sự phát triển hơn nữa để làm cho pin hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ mát hơn, các ứng dụng cũng có thể bao gồm các cảm biến trong thiết bị theo dõi lô hàng, chẳng hạn để đảm bảo rằng các yêu cầu về nhiệt độ và độ ẩm đối với lô hàng thực phẩm hoặc thuốc được duy trì thích hợp trong suốt quá trình vận chuyển quá trình. Hoặc, chúng có thể được sử dụng trong các phương tiện vận hành từ xa trên không hoặc dưới nước cần luôn sẵn sàng triển khai trong thời gian dài.

    Pin máy tạo nhịp tim thường có tuổi thọ từ 5 đến 10 năm và thậm chí ít hơn nếu chúng yêu cầu các chức năng điện áp cao như khử rung tim. Tuy nhiên, đối với những loại pin như vậy, Gao nói, công nghệ này được coi là đã trưởng thành và "không có bất kỳ cải tiến lớn nào trong ngành hóa học tế bào cơ bản trong 40 năm qua".

    Chìa khóa cho sự đổi mới của nhóm là một loại chất điện phân mới - vật liệu nằm giữa hai cực điện của pin, cực âm và cực dương, và cho phép các hạt mang điện đi qua từ bên này sang bên kia. Sử dụng một hợp chất flo hóa lỏng mới, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng họ có thể kết hợp một số chức năng của cực âm và chất điện phân trong một hợp chất, được gọi là catholyte. Điều này cho phép tiết kiệm phần lớn trọng lượng của pin tiểu thông thường, Gao nói.

    Mặc dù có những vật liệu khác ngoài hợp chất mới này về mặt lý thuyết có thể hoạt động với vai trò catholyte tương tự trong pin dung lượng cao, Gallant giải thích, những vật liệu đó có điện áp cố hữu thấp hơn không phù hợp với điện áp còn lại của vật liệu trong pin máy điều hòa nhịp tim thông thường , một loại được gọi là CFx.

    Vì sản lượng tổng thể từ pin không thể nhiều hơn công suất nhỏ hơn của hai vật liệu điện cực, nên dung lượng bổ sung sẽ bị lãng phí do điện áp không phù hợp. Nhưng với vật liệu mới, "một trong những giá trị quan trọng của chất lỏng flo hóa của chúng tôi là điện áp của chúng phù hợp rất tốt với điện áp của CFx", Gallant nói.

    Trong pin CFx thông thường, chất điện phân lỏng là rất cần thiết vì nó cho phép các hạt tích điện đi qua từ điện cực này sang điện cực kia. Nhưng "những chất điện giải đó thực sự không hoạt động về mặt hóa học, vì vậy về cơ bản chúng là trọng lượng chết", Gao nói. Điều này có nghĩa là khoảng 50% thành phần quan trọng của pin, chủ yếu là chất điện phân, là vật liệu không hoạt động. Nhưng trong thiết kế mới với vật liệu catholyte flo hóa, lượng trọng lượng chết có thể giảm xuống còn khoảng 20%, cô nói.

    Các tế bào mới cũng cung cấp các cải tiến an toàn so với các loại hóa chất được đề xuất khác sẽ sử dụng các vật liệu catholyte độc ​​hại và ăn mòn, mà công thức của chúng thì không, Gallant nói. Và các thử nghiệm sơ bộ đã chứng minh thời hạn sử dụng ổn định trong hơn một năm, 

    đặc tính quỹ đạo cho pin tiểu, cô ấy nói.

    Cho đến nay, nhóm nghiên cứu vẫn chưa thực nghiệm đạt được mức cải thiện đầy đủ 50% về mật độ năng lượng theo dự đoán của phân tích của họ. Họ đã chứng minh sự cải thiện 20%, bản thân nó sẽ là một lợi ích quan trọng đối với một số ứng dụng, Gallant nói. Bản thân thiết kế của tế bào vẫn chưa được tối ưu hóa hoàn toàn, nhưng các nhà nghiên cứu có thể dự đoán hiệu suất của tế bào dựa trên hiệu suất của chính vật liệu hoạt động. Cô ấy nói: “Chúng tôi có thể thấy hiệu suất cấp độ tế bào dự kiến ​​khi nó được mở rộng quy mô có thể đạt cao hơn khoảng 50% so với tế bào CFx. Thực nghiệm đạt được mức đó là mục tiêu tiếp theo của nhóm.

    Sevilla, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại khoa kỹ thuật cơ khí, sẽ tập trung vào công việc đó trong năm tới. “Tôi được đưa vào dự án này để cố gắng hiểu một số hạn chế tại sao chúng ta không thể đạt được mật độ năng lượng đầy đủ nhất có thể,” anh nói. "Vai trò của tôi là cố gắng lấp đầy những khoảng trống trong việc hiểu được phản ứng tiềm ẩn."

    Gao nói, một lợi thế lớn của vật liệu mới là nó có thể dễ dàng được tích hợp vào các quy trình sản xuất pin hiện có, như một sự thay thế đơn giản của vật liệu này cho vật liệu khác. Các cuộc thảo luận sơ bộ với các nhà sản xuất xác nhận khả năng thay thế dễ dàng này, Gao nói. Cô nói, nguyên liệu ban đầu cơ bản, được sử dụng cho các mục đích khác, đã được mở rộng quy mô sản xuất và giá của nó tương đương với nguyên liệu hiện đang được sử dụng trong pin CFx.

    Cô cho biết chi phí của pin sử dụng vật liệu mới cũng có thể tương đương với các loại pin hiện có. Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho catholyte và họ hy vọng rằng các ứng dụng y tế có thể sẽ là ứng dụng đầu tiên được thương mại hóa, có lẽ với một nguyên mẫu quy mô đầy đủ sẵn sàng để thử nghiệm trên các thiết bị thực trong vòng khoảng một năm.

    Các ứng dụng khác cũng có thể tận dụng các vật liệu mới, chẳng hạn như đồng hồ đo nước hoặc khí thông minh có thể đọc ra từ xa, hoặc các thiết bị như bộ phát đáp EZPass, tăng tuổi thọ sử dụng của chúng, các nhà nghiên cứu cho biết. Năng lượng cho máy bay không người lái hoặc các phương tiện dưới biển sẽ yêu cầu công suất cao hơn và do đó có thể mất nhiều thời gian hơn để phát triển. Các mục đích sử dụng khác có thể bao gồm pin cho các thiết bị được sử dụng tại các địa điểm xa xôi, chẳng hạn như các giàn khoan dầu và khí đốt, bao gồm cả các thiết bị được đưa xuống giếng để theo dõi điều kiện.

    Zalo
    Hotline