Loại pin mới có tuổi thọ dài đáng kinh ngạc, có thể không bao giờ cần sạc lại

Một nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST) do Giáo sư Su-Il In dẫn đầu đã phát triển một loại pin hạt nhân mới gọi là pin betavoltaic perovskite (PBC), có thể cấp nguồn cho các thiết bị nhỏ trong hàng thập kỷ mà không cần sạc lại. Nhóm đã sử dụng carbon-14—một dạng carbon không bền được gọi là carbon phóng xạ—và kết hợp nó với vật liệu perovskite để tạo ra một pin lai với khả năng chuyển đổi năng lượng được cải thiện và độ ổn định dài hạn.

Pin mới sử dụng hạt nano carbon-14 và chấm lượng tử (14CNP/CQD) làm điện cực. Chúng được nhúng vào thiết bị cùng một màng perovskite được xử lý bằng hai phụ gia gốc clo: methylammonium chloride (MACl) và cesium chloride (CsCl). Các phụ gia này giúp củng cố cấu trúc tinh thể perovskite, giúp mang lại cấu trúc ổn định và khả năng di chuyển điện tích tốt hơn. So với các thiết kế cũ, nhóm nghiên cứu ghi nhận sự cải thiện gấp khoảng 56.000 lần về độ linh động electron và thời gian hoạt động liên tục tối đa là 9 giờ trong quá trình thử nghiệm.

“Nghiên cứu này đại diện cho sự tích hợp thành công đầu tiên của perovskite vào một pin betavoltaic, tiên phong trong lĩnh vực pin betavoltaic perovskite,” các nhà nghiên cứu tuyên bố.

Pin betavoltaic hoạt động bằng cách biến các hạt beta—phát ra trong quá trình phân rã phóng xạ—thành điện năng. Vì tia beta không thể xuyên qua da người và có thể bị chặn bởi các vật liệu như nhôm, công nghệ này được coi là an toàn sinh học. Giáo sư In giải thích: “Tôi quyết định sử dụng đồng vị phóng xạ của carbon vì nó chỉ tạo ra tia beta.” Carbon-14 cũng là sản phẩm phụ từ các lò phản ứng hạt nhân, khiến nó rẻ, sẵn có rộng rãi và có thể tái chế. Do phân rã rất chậm, Carbon-14 có thể cấp nguồn cho các thiết bị trong hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn năm.

Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng—thước đo mức độ pin biến electron thành năng lượng sử dụng được—nhóm nghiên cứu chuyển sang sử dụng chất bán dẫn titanium dioxide, thường được tìm thấy trong pin mặt trời, và tăng cường nó bằng thuốc nhuộm gốc ruthenium. Liên kết giữa thuốc nhuộm và titanium dioxide được củng cố thông qua xử lý bằng axit citric. Khi các tia beta từ carbon phóng xạ bắn vào thuốc nhuộm, chúng kích hoạt một chuỗi phản ứng electron được gọi là hiệu ứng thác lũ (avalanche). Các electron này sau đó được titanium dioxide “bắt giữ” và gửi qua một mạch để tạo ra dòng điện.

Pin cũng được thiết kế với carbon phóng xạ ở cả cực dương và cực âm, làm tăng lượng bức xạ beta và giảm thất thoát năng lượng theo khoảng cách. Cách tiếp cận này giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ 0,48% ở các mẫu cũ lên 2,86%.

Tuy nhiên, hệ thống chỉ chuyển đổi một phần nhỏ năng lượng phóng xạ thành điện năng, nghĩa là đầu ra của nó vẫn thấp hơn pin lithium-ion tiêu chuẩn. Giáo sư In gợi ý rằng việc cải thiện hình dạng của nguồn phát beta và tìm chất hấp thụ tốt hơn có thể nâng cao hơn nữa công suất đầu ra.

Nghiên cứu này đánh dấu bằng chứng thực tế đầu tiên trên thế giới về tính khả thi của pin betavoltaic. Chúng ta có thể đưa năng lượng hạt nhân an toàn vào các thiết bị có kích thước bằng một ngón tay.

Nhóm tin rằng, với sự phát triển cải tiến trong tương lai, những viên pin chạy bằng carbon phóng xạ này có thể được sử dụng trong các lĩnh vực từ máy tạo nhịp tim đến tàu thăm dò không gian và máy bay không người lái.