Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã phát triển một phương pháp mới nhằm cải thiện đáng kể hiệu suất của pin lithium-lưu huỳnh, một bước đột phá có thể giúp thiết bị bay không người lái (UAV) bay xa hơn nhiều chỉ với một lần sạc.
Nghiên cứu được công bố gần đây trên Tạp chí Nature mở ra hướng đi mới hướng tới các loại pin bền hơn và mạnh hơn cho lĩnh vực hàng không tầm thấp và nhiều ứng dụng khác.
Hiện nay, phần lớn UAV thông thường sử dụng pin lithium-ion, vốn đang tiến gần tới giới hạn về mật độ năng lượng. Mật độ năng lượng của loại pin này - tức lượng điện năng được lưu trữ trên mỗi đơn vị khối lượng - thường dưới 300 watt-giờ/kg, dẫn tới tình trạng “lo ngại về phạm vi hoạt động” làm hạn chế thời gian bay.
Pin lithium-lưu huỳnh được coi là một giải pháp thay thế đầy triển vọng do mật độ năng lượng cao về mặt lý thuyết, cùng với sự dồi dào và giá thành thấp của lưu huỳnh.
Tuy nhiên, trên thực tế, loại pin này đối mặt với trở ngại lớn do trong quá trình sạc và xả điện, lưu huỳnh trải qua một quá trình hóa học phức tạp tạo ra nhiều chất trung gian hòa tan.
Những chất trung gian này có xu hướng khuếch tán ra ngoài, làm chậm các phản ứng và gây lãng phí năng lượng.
Một nhóm nghiên cứu do Trường Cao học Quốc tế Thanh Hoa Thâm Quyến (Tsinghua SIGS) dẫn đầu đã đề xuất giải pháp mới bằng cách đưa vào một “chất tiền trung gian” cho quá trình điện hóa lưu huỳnh.
Nhà nghiên cứu Chu Quang Mẫn thuộc trường này giải thích: "Hãy coi nó như một chất phụ gia đặc biệt 'ngủ yên' bên trong pin cho đến khi cần thiết. Khi phản ứng lưu huỳnh bắt đầu, chất phụ gia này sẽ 'thức dậy' ngay tại nơi diễn ra phản ứng và bắt đầu hoạt động."
Theo ông, khi được kích hoạt, phân tử này sẽ bám vào các chất trung gian hòa tan và ngăn chúng trôi đi. Nó cũng giúp xây dựng những "làn đường nhanh" cho các phản ứng điện, giúp toàn bộ quá trình diễn ra suôn sẻ và hiệu quả hơn nhiều.
Nhóm nghiên cứu cũng đã thiết kế lại mạng lưới phản ứng ở cấp độ phân tử. Phân tử mới được phát triển giúp giảm 75% điện trở bên trong pin so với các thiết kế thông thường.
Trong các thử nghiệm, loại pin mới hoạt động ổn định qua 800 chu kỳ sạc-xả, duy trì gần 82% dung lượng.
Đáng chú ý hơn, nhóm nghiên cứu đã chế tạo được một nguyên mẫu pin túi thực tế có mật độ năng lượng đạt 549 watt-giờ/kg, gần gấp đôi so với nhiều loại pin tiêu chuẩn cho UAV hiện đang được sử dụng. Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với UAV - mật độ năng lượng cao hơn đồng nghĩa với thời gian bay dài hơn, tải trọng lớn hơn và phạm vi hoạt động rộng hơn.
Nhóm nghiên cứu tin rằng chiến lược thiết kế phân tử này cũng có thể được mở rộng sang các lĩnh vực khác, bao gồm pin dòng chảy, pin lithium-kim loại và thậm chí cả các quy trình tái chế pin trực tiếp./.