Pin Graphene là gì và có thể thay đổi thế giới công nghệ như thế nào?

Pin là trung tâm của các công nghệ ứng dụng quan trọng nhất của nhân loại. Điện thoại, máy tính xách tay, ô tô và thậm chí ngôi nhà của bạn… tất cả đều dựa vào việc tích trữ năng lượng trong pin. Tuy nhiên, dường như công nghệ sản xuất pin vẫn chưa thể theo kịp sự phát triển này. Nói cách khác, pin chính là “điểm trũng” trong lĩnh vực công nghệ di động, mặc dù cũng đã được cải thiện tương đối nhiều trong những năm qua.

Nói vậy không có nghĩa công nghệ pin hiện tại tệ, nhưng một công nghệ pin mới xuất hiện gần đây có tên graphene được kỳ vọng có thể giải quyết gần như triệt để những thiếu sót nói chung.

Graphene là gì?

Có thể hiểu đơn giản graphene là loại vật liệu mỏng nhất thế giới, được cấu tạo từ các nguyên tử carbon liên kết với nhau theo hình lục giác tuần hoàn. Cụ thể hơn, mạng tinh thể Graphene có độ dày chỉ bằng một nguyên tử than chì, về cơ bản là cacbon kết tinh. Nghe có vẻ lạ lùng nhưng bạn hoàn toàn có thể tạo ra những mảnh graphene chỉ bằng ngòi bút chì và một ít băng dính. Trên thực tế, ý tưởng sáng tạo tưởng chừng đơn giản này đã nhận giải thưởng Nobel.

Graphene có một số đặc tính khiến nó trở nên rất thú vị như một phần tiềm năng của công nghệ tương lai. Ưu điểm của graphene là khả năng dẫn điện, chịu nhiệt tốt và hạn chế tổn hao năng lượng khi dòng điện chạy qua. Vì vậy, nếu bạn muốn truyền tải điện hoặc nhiệt với hiệu suất cao, đây là một loại vật liệu đầy hứa hẹn.

Graphene cũng có độ bền cao. Nó rất linh hoạt và đàn hồi, đồng thời trong suốt và có thể được sử dụng để tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời.

Graphene khó sản xuất hàng loạt

Có một rào cản lớn khiến Graphene khô trở nên phổ biến, đó là sự phức tạp trong sản xuất đại trà. Mặc dù việc tạo ra các mảnh hoặc tấm graphene nhỏ để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm khá đơn giản, nhưng việc sản xuất hàng loạt lại là chuyện khác. Nếu không có những thách thức trong việc sản xuất hàng loạt một cách đáng tin cậy, thì loại vật liệu nano này có lẽ đã xuất hiện trong các sản phẩm công nghệ từ lâu rồi.

Tin tốt là có một vài hướng đi đầy hứa hẹn cho tham vọng sản xuất hàng loạt và giảm giá thành đối với vật liệu graphene rẻ hơn, đủ để tung ra thị trường đại chúng. Hiện tại, chất xơ truyền Graphene có thể được sản xuất với số lượng hợp lý. Graphene cũng có thể được tạo ra bằng cách sử dụng dung môi, mặc dù chúng rất độc. Các nhà nghiên cứu đã xem xét các dung môi an toàn hơn và triển vọng cũng đầy hứa hẹn.

Graphene hiện nay thường được sản xuất bằng quá trình lắng đọng hơi hóa học. Trong đó, graphene hình thành như một lớp trên vật liệu nền. Vấn đề với phương pháp này là tỷ lệ “sai sót”về mặt cấu trúc trong graphene luôn ở mức cao. Nghiên cứu mới sử dụng chất lỏng (với bề mặt hoàn toàn phẳng) làm chất nền có thể giải quyết vấn đề. Vì vậy, giả sử rằng graphene có thể được xuất hàng loạt, việc chúng xuất hiện trong các sản phẩm công nghệ phổ thông là hoàn toàn khả thi.

Graphene giải quyết các hạn chế của pin Lithium-Ion

Lithium là loại pin phổ biến mà bạn có thể tìm thấy trong các thiết bị điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, loại pin này có nhược điểm lớn là khả năng lưu trữ năng lượng không thực sự tốt, và cần có mạch điện an toàn để đảm bảo tính ổn định trong sử dụng.

Đặc biệt, pin Lithium cũng sẽ suy giảm chất lượng sau mỗi lần sạc lại, có giới hạn về lượng điện năng có thể cung cấp cùng một lúc, và phải được sạc từ từ để tránh pin quá nóng dẫn đến phát nổ.

Pin graphene có thể khắc phục hoặc giảm thiểu hầu hết những hạn chế trên. Thêm graphene vào pin lithium hiện tại có thể tăng dung lượng đáng kể, giúp chúng sạc nhanh và an toàn, đồng thời kéo dài đáng kể tuổi thọ trước khi cần thay thế.

Pin thể rắn không có chất điện phân lỏng. Đó là chất nằm giữa hai cực của pin và lưu trữ năng lượng hóa học được chuyển đổi thành dòng điện. Việc tạo ra pin thể rắn thực tế lớn để sử dụng thương mại vẫn là một mục tiêu của tương lai, nhưng graphene có thể là ứng cử viên phù hợp để biến pin thể rắn trở thành hiện thực trên thị trường đại chúng.

Trong pin thể rắn graphene, loại vật liệu này sẽ được trộn với gốm hoặc nhựa để tăng thêm độ dẫn điện. Ví dụ, các nhà khoa học đã tạo ra một nguyên mẫu pin thể rắn graphene-gốm có thể là giải pháp thay thế hỗ trợ sạc nhanh, an toàn cho pin lithium-ion vốn được cấu thành từ chất điện phân lỏng dễ bay hơi.

Nhìn chung, graphene vẫn là một vật liệu đắt tiền và phức tạp trong sản xuất. Theo ước tính, một kg graphene có giá trị hơn 300.000 USD cách đây vài năm. Sử dụng pin graphene chắc chắn sẽ làm tăng đáng kể giá thành sản phẩm, do đó triển vọng thương mại của loại pin này vẫn sẽ là một chặng đường dài.