Posts

Vật liệu lượng tử và pin siêu bền: Cuộc cách mạng cho smartphone tương lai

/in /by

Hai công trình nghiên cứu vừa được công bố tại Mỹ và Trung Quốc mở ra kỷ nguyên mới cho ngành điện tử, với tốc độ xử lý nhanh gấp 1.000 lần hiện nay và pin linh hoạt, thân thiện môi trường – đặc biệt phù hợp cho smartphone màn hình gập và thiết bị đeo thế hệ mới.

Các nhà khoa học tại Đại học Northeastern (Mỹ) vừa công bố bước đột phá quan trọng trong kiểm soát vật liệu lượng tử, giúp máy tính và điện thoại đạt tốc độ xử lý nhanh gấp 1.000 lần so với công nghệ chip silicon hiện tại. Cốt lõi của nghiên cứu là vật liệu 1T-TaS₂ – một loại vật liệu lượng tử đặc biệt có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa hai trạng thái: dẫn điện như kim loại hoặc cách điện như chất bán dẫn.

Trước đây, trạng thái dẫn điện chỉ tồn tại ở nhiệt độ cực thấp và trong thời gian ngắn, khiến vật liệu này không thể ứng dụng rộng rãi trong thiết bị điện tử. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã tìm ra cách duy trì trạng thái kim loại ổn định ở gần nhiệt độ phòng trong nhiều tháng.

Phương pháp được sử dụng là nung nóng và làm nguội nhanh vật liệu với tốc độ khoảng 120 Kelvin/giây – một kỹ thuật gọi là quenching nhiệt. Điều này giúp vật liệu vượt ngưỡng chuyển pha, tạo ra trạng thái lai giữa dẫn điện và cách điện.

Đặc biệt, nhóm còn sử dụng ánh sáng để kích hoạt sự chuyển đổi cấu trúc vật liệu. Khi được chiếu sáng, vật liệu thay đổi cấu trúc sóng mật độ điện tích gần như tức thì, giữ cho trạng thái kim loại tiếp tục ổn định. Giáo sư Gregory Fiete, chuyên gia vật lý tại Đại học Northeastern cho biết: “Chúng tôi đang kiểm soát đặc tính vật liệu với tốc độ nhanh nhất mà vật lý cho phép”. Việc sử dụng ánh sáng thay cho các lớp vật liệu như trong bóng bán dẫn truyền thống giúp đơn giản hóa cấu trúc vi mạch, mở ra cơ hội thiết kế thiết bị điện tử thế hệ mới.

Với công nghệ chip silicon hiện tại, tần số xử lý đạt mức gigahertz. Với phát hiện mới, các nhà khoa học tin rằng có thể nâng lên mức terahertz – nhanh gấp 1.000 lần. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng trong thời đại dữ liệu lớn và xử lý thời gian thực như trí tuệ nhân tạo (AI), thực tế ảo (VR), tính toán lượng tử hay mô phỏng khoa học.

Công trình còn chỉ ra, khi chiếu ánh sáng ở các tần số cụ thể, các sóng dao động trong mạng tinh thể sẽ phản ứng theo cách tương ứng: 2,5 terahertz phản ánh thay đổi biên độ sóng mật độ điện tích, 1,3 terahertz liên quan đến sự trượt lớp vật liệu ở cấp độ nguyên tử.


Điều chỉnh mới đối với pin ion kẽm giúp smartphone màn hình gập có pin bền hơn, rẻ hơn và thân thiện với môi trường.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature Physics, gọi trạng thái mới này là “kim loại ẩn” – vì bên ngoài vật liệu trông giống như cách điện nhưng bên trong vẫn cho phép dòng electron di chuyển nhanh chóng, nhờ các vùng dẫn điện nhỏ ẩn bên trong cấu trúc vật liệu.

Nhà nghiên cứu Alberto de la Torre – Trưởng nhóm cho biết, phương pháp quenching nhiệt có thể lập trình tức thì khả năng dẫn điện của vật liệu chỉ bằng ánh sáng, cho phép chế tạo các thiết bị vừa lưu trữ vừa xử lý dữ liệu trên cùng một vật liệu – điều chưa từng có trong công nghệ silicon.

Không chỉ vậy, khi kết hợp với các buồng cộng hưởng terahertz, vật liệu có thể thay đổi pha một cách chính xác và có kiểm soát, tương tự như cộng hưởng ánh sáng trong các thiết bị laser – nhưng ở cấp độ nguyên tử.

Song song đó, một nhóm nghiên cứu khác tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cũng đang mở ra hướng đi mới cho các thiết bị cầm tay với giải pháp pin linh hoạt sử dụng vật liệu thân thiện môi trường. Nghiên cứu được đăng trên ấn bản quốc tế của tạp chí Angewandte Chemie, hướng đến thay thế các công nghệ pin truyền thống – đặc biệt là trong smartphone màn hình gập bằng pin ion kẽm sử dụng chất điện phân hydrogel từ urê và kẽm axetat.

Ưu điểm của hợp chất này là giá thành rẻ, bền, thân thiện môi trường. Tuy nhiên, do độ hòa tan kém của kẽm axetat có thể làm giảm hiệu suất pin, nhóm nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật “loại bỏ muối” để loại bỏ lớp vỏ hydrat hóa quanh chuỗi polymer, giúp cải thiện độ bền điện phân.

Nhà nghiên cứu Li Zhaoqian cho biết: “Phương pháp này cho phép pin chịu được các chu kỳ mạ – tách kẽm lặp lại và các ứng suất vật lý, tăng độ bền tổng thể đáng kể”.

Pin kẽm-ion được đánh giá là giải pháp thay thế bền vững hơn so với pin lithium-ion, vốn có chi phí cao và chứa chất gây ô nhiễm. Chúng đặc biệt phù hợp trong bối cảnh nhu cầu năng lượng sạch, tái tạo ngày càng cấp thiết để đối phó với ô nhiễm carbon và biến đổi khí hậu.

Theo nhóm nghiên cứu, với khả năng linh hoạt cao, pin mới có tiềm năng ứng dụng vào các thiết bị điện tử đeo, smartphone gập, thậm chí cả quần áo thông minh. Dù vẫn chưa phổ biến bằng pin lithium nhưng các cải tiến mới sẽ làm nổi bật lợi ích và giảm chi phí, thúc đẩy khả năng tích hợp vào nhiều thiết bị trong tương lai gần.

Theo Thanh Hiền (t/h)
https://vietq.vn/vat-lieu-luong-tu-va-pin-sieu-ben-cuoc-cach-mang-tang-toc-cho-smartphone-tuong-lai-d235772.html

Phát triển pin xe điện có khả năng chạy 1,5 triệu km

/in /by

Hai công ty công nghệ tại Thụy Điển đã cùng nhau hợp tác, phát triển bộ pin xe điện hạng nặng với tuổi thọ pin kéo dài 1,5 triệu km.

Thiết kế pin lithium-ion mới sản xuất bằng điện phi hóa thạch có lượng khí thải carbon chỉ bằng 1/3 so với sản phẩm tương tự khác. Đặc điểm kỹ thuật của bộ pin bao gồm ô pin hình chữ nhật mỏng, dung lượng 157 ampe giờ và điện áp danh định 3,6 V. Tuổi thọ của pin là hơn 1,5 triệu km đối với xe điện hạng nặng. Thông thường, tuổi thọ của pin xe điện là 8 năm/100.000 dặm (khoảng 160.000 km), nhưng điều này sẽ thay đổi tùy theo nhà sản xuất và điều kiện môi trường sử dụng.

Hai công ty công nghệ Scania và Northvolt bắt đầu hợp tác vào năm 2017 để phát triển và thương mại hóa pin dành cho xe điện thương mại hạng nặng. Quá trình hợp tác thu được thành tựu vượt xa dự kiến ban đầu về mặt hiệu suất. Bộ pin đang được sản xuất ở nhà máy Ett của Northvolt tại miền bắc Thụy Điển và Scania sẽ khánh thành nhà máy pin mới ở Södertälje cuối năm nay. Tại đó, pin sẽ được lắp ráp hoàn chỉnh để bắt đầu sản xuất xe tải điện chở hàng nặng.

Bộ pin do Scania và Northvolt đồng phát triển có tuổi thọ cao. Ảnh: Scania

Theo Peter Carlsson, nhà đồng sáng lập kiêm giám đốc điều hành Northvolt, dự án hợp tác phát triển bộ pin hiệu suất cao cho phép Scania lên kế hoạch điện hóa xe tải. Christian Levin, giám đốc điều hành Scania cũng chia sẻ bộ pin loại này rất cần thiết để chuyển sang giao thông bền vững.

Northvolt Ett là cơ sở sản xuất pin hoạt động bằng 100% năng lượng phi hóa thạch từ thủy điện và điện gió. Do sử dụng năng lượng phi hóa thạch và kết hợp sản xuất bền vững ở Northvolt Ett, mức khí thải của bộ pin thấp hơn nhiều tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp. Scania và Northvolt chứng minh hợp tác chặt chẽ và sáng tạo có thể biến những giải pháp giao thông bền vững thành hiện thực.

Bảo Lâm
https://vietq.vn/phat-trien-pin-xe-dien-co-kha-nang-chay-15-trieu-km-d210113.html

Loại pin lithium-ion cho phép xe điện chạy 630 km một lần sạc

/in /by

Các nhà khoa học Hàn Quốc phát triển pin lithium-ion không cực dương anode hiệu suất cao, chống cháy nổ, cho phép xe ô tô điện chạy đến 630 km chỉ trong một lần sạc.

Nhóm nghiên cứu POSTECH do GS Soojin Park và nghiên cứu sinh TS Sungjin Cho (Khoa Hóa học) phối hợp với GS Dong-Hwa Seo và TS Dong Yeon Kim (Trường Kỹ thuật Năng lượng và Hóa học) tại Viện Khoa học và Công nghệ Ulsan (UNIST) phát triển một pin lithium không có cực dương anode với hiệu suất thời lượng sử dụng pin dài hơn trong một lần sạc.

Loại pin không có cực dương mới được phát triển có mật độ năng lượng/thể tích là 977 Wh /L, cao hơn 40% so với các loại pin thông thường (700 Wh/L). Kết quả này có nghĩa là pin có thể chạy được 630 km trong một lần sạc. Pin thường thay đổi cấu trúc của vật liệu anốt khi các ion lithium chảy đến và đi từ điện cực trong quá trình sạc và xả lặp đi lặp lại. Đây cũng là nguyên nhân vì sao dung lượng pin giảm dần theo thời gian.

Các nhà khoa học cho rằng, nếu có thể sạc và xả chỉ với một bộ thu dòng điện cực dương trần không có vật liệu cực dương thì mật độ năng lượng – yếu tố quyết định dung lượng pin sẽ tăng lên. Nhưng phương pháp này có điểm yếu nghiêm trọng là gây phồng đáng kể thể tích cực dương và làm giảm vòng đời của pin. Thể tích cực dương phồng lên vì không có nơi lưu trữ ổn định cho lithium trong cực dương.


Ảnh minh hoạ

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu thành công trong việc phát triển pin không có cực dương trong chất điện phân lỏng trên cơ sở cacbonat thường sử dụng bằng cách thêm một chất nền dẫn điện ion. Chất nền không chỉ tạo thành lớp bảo vệ anode mà còn giảm thiểu đến mức tối thiểu sự giãn nở của cực dương.

Các nhà khoa học đã chế tạo một điện cực bằng cách phủ lớp dẫn ion bao gồm polyme polyetylenimine, bạc, muối liti và muội than lên bề mặt của bộ thu dòng điện bằng đồng. Chất nền dẫn điện ion được chế tạo theo phương pháp này có thể vận hành pin, nhận và giải phóng các ion lithium hiệu quả trong quá trình sạc và xả.

Thử nghiệm cho thấy pin duy trì dung lượng cao 4,2 mAh/cm2, mật độ dòng điện cao 2,1 mA/cm2 trong thời gian dài trong chất điện phân lỏng trên cơ sở cacbonat. Các nhà khoa học cũng chứng minh được cả trên lý thuyết và trong các thí nghiệm, chất nền có thể lưu trữ lithium.

Một đặc điểm thu hút sự quan tâm của giới khoa học là nhóm nghiên cứu đã chứng minh thành công sử dụng các bán tế bào pin (half-cells) trạng thái rắn (solid- state) bằng phương pháp sử dụng chất điện phân rắn gốc sulfua trên cơ sở khoáng chất Argyrodite. Các nhà khoa học dự đoán rằng, loại pin có thiết kế này sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin không nổ do khả năng duy trì dung lượng cao trong thời gian dài.

Bảo Lâm
https://vietq.vn/loai-pin-lithium-ion-cho-phep-xe-dien-chay-630-km-mot-lan-sac-d204580.html

Công nghệ mới tạo ra loại pin có tuổi thọ tới 100 năm

/in /by

Nhóm nhà nghiên cứu pin của Tesla ở Canada đã phối hợp với Đại học Dalhousie đưa ra nghiên cứu về công nghệ pin mới dựa trên niken, có thể kéo dài tuổi thọ pin đến 100 năm

Công nghệ kể trên cũng sẽ cung cấp mật độ năng lượng và thời gian sạc tương tự như các tế bào Lithium Ferrum (sắt) Phosphate hiện đang được sử dụng trong sản xuất ô tô điện.

Được biết, nghiên cứu đã được báo cáo lần đầu tiên bởi nhà nghiên cứu Electrek với sự hợp tác của một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới về công nghệ pin, Jeff Dahn – người hiện là thành viên của Đại học Dalhousie ở Halifax, Canada. Ông đã nghiên cứu về pin Lithium-ion và được coi là người tiên phong trong lĩnh vực này sau khi công việc của ông đã làm tăng vòng đời của pin mà chúng ta thấy ngày nay.

Các loại pin mới do Dahn phát triển sử dụng Nickel trong hỗn hợp của chúng, mang lại mật độ cao cho bức tranh sản xuất, cho phép phạm vi hoạt động cao hơn đối với các loại xe điện. Pin có thành phần hóa học độc đáo bền hơn so với pin lithium-ion, dựa trên nhiệt độ mà nó được sạc.


Tesla sẽ sớm tạo ra hệ thống pin có tuổi thọ lên đến 100 năm. Ảnh: Reuters

Bài nghiên cứu đã nêu bật ví dụ trong đó nếu pin luôn được sạc ở nhiệt độ 25 độ C, tuổi thọ của pin có thể vượt quá 100 năm. Đây thực sự là cuộc cách mạng mới trong việc sản xuất ô tô điện.

Hơn nữa, pin niken trong quá khứ đã có thành phần coban trong chúng. Không có gì bí mật khi tìm nguồn cung ứng coban là một thách thức lớn cho các nhà sản xuất. Để loại bỏ những lo ngại này, thiết kế pin mới sẽ có khả năng mang lại kết quả tương tự và hoạt động giống như trước nhưng với lượng coban thấp hoặc hoàn toàn không có trong thành phần của pin. Điều này sẽ nhờ vào chất điện phân mới với muối liti LiFSI.

Bảo Lâm
https://vietq.vn/cong-nghe-moi-tao-ra-loai-pin-co-tuoi-tho-toi-100-nam-d200840.html