Pin nhiên liệu sẽ sớm thay thế pin i-ông thông thường

E-mail | Bản in | Lưu xem sau

Công nghệ điện tử di động có tiềm năng tạo ra các mặt hàng kỹ thuật số sang trọng trên cả sức tưởng tượng của con người nhưng vẫn chưa bao giờ vượt mặt công nghệ sản xuất pin lithium i-ông hiện nay. Năng lượng là một điểm yếu cố hữu của sự phát triển công nghệ điện tử di động tân tiến, và nhu cầu về năng lượng thậm chí còn cấp thiết hơn khi các thiết bị có thêm nhiều ứng dụng ngốn năng lượng.

Trong một nghiên cứu gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu phát triển các pin nhiên liệu methanol kích cỡ cực nhỏ (gọi tắt là microDMFC) có khả năng đạt đến mức hiệu nhiên liệu rất đáng kể và giữ điện tốt khi chạy ở nhiệt độ phòng. Mật độ năng lượng (được đo bằng W.h/Lít) của loại pin nhiên liệu mới này 385 W.h/L, cao hơn mức giá trị 270 Wh/L của các loại pin lithium i-ông.

Nghiên cứu do tiến sỹ Steve Arscott thuộc học viện điện tử, vi điện tử và công nghệ na-nô của Pháp khởi xướng và chỉ đạo cùng với sự công tác của Tập đoàn SHARP ở Nara, Nhật Bản được dăng tải trên số xuất bản gần đây của tờ tạp chí Micromechanics and Microengineering và một  nghiên cứu thứ hai được chấp thuận xuất bản trên tạp chí Power Sources.

Cả hai công trình nghiên cứu đều sử dụng pin nhiên liệu methanol trong đó methanol đóng vai trò là nhiên liệu và làm a-nốt, trong khi đó không khí là chất ô-xi hóa và đóng vai trò là ca-nốt. Chất methanol và không khí sẽ luân chuyển qua pin nhiên liệu trong các vi kênh hiển vi khắc trên các tấm xốp silicon. Khi methanol và không khí phản ứng với sự có mặt của một chất điện phân, sẽ phát ra điện.

Trong nghiên cứu thứ hai của mình, các nhà nghiên cứu đa thử nghiệm chèn một lớp xốp lớp tổ ong mới vào giữa tấm pin vi nhiên liệu trên nền silicon. Thiết kế này đã giúp họ cải thiện hiệu suất nhiên liệu từ 20% hiện có trong nghiên cứu đầu tiên lên mức 70% khi vận hành ở nhiệt độ phòng. Với hiệu suất này các loại pin nhiên liệu này có mức công suất điện là 4.3 mW/cm­­2 và 9.25 mW/cm2 tương ứng với 2 nghiên cứu trên. Chỉ cần bổ sung thêm một ít nhiên liệu nữa, các nhà nghiên cứu có thể tăng công suất điện của pin lên 12.7 mW/cm2, dù hiệu suất của nó bị giảm xuống 20% (như số liệu trong nghiên cứu thứ 2).

Trong khi nghiên tế bào nhiên liệu trước đó do Yen và các cộng sự tiến hành đã đạt được đến công suất điện cao hơn (lên tới 47.2mW/cm2) nhưng vẫn chưa chạy được ở nhiệt độ phòng, điều tối quan trọng đối với một sản phẩn thương mại.

Một phần lý do là do loại pin nhiên liệu mới này có thể đạt đến hiệu suất chất đốt chưa từng có là vì nó chỉ tiêu hao một lượng nhỏ nhiên liệu (ít đến mức 1.38 micro-lít mỗi phút đối với nghiên cứu thứ nhất hoặc 550 nano-lít mỗi phút cho nghiên cứu thứ 2). Bằng việc tiêu tốn một lượng nhiên liệu tối thiểu, pin này có thể loại trừ việc cung cấp năng lượng cho các bộ phận ví dụ như các bộ bơm, do đó giúp giảm thiểu tiêu hao năng lượng của pin. Tuy nhiên theo mô phỏng của các nhà nghiên cứu, một lượng nhiên liệu cực nhỏ cũng rất cần thiết để đảm bảo sự tập trung năng lượng đều trên pin để đạt đến hiệu suất tối đa.

Theo hướng thiết kế này, điều cốt lõi để đạt được công suất điện cao ở nhiệt độ phòng là giảm cả kích cỡ pin nhiên liệu lẫn tiết diện của các vi kênh. Sự thay đổi đó mang lại sự tối thiểu hóa thiết bị tổng thể đến kích cỡ 0,18 cm và độ dày 0,17 cm, tương ứng với thể tích của pin nhiên liệu tí hon này là 0,03 cm3 và trong lượng chỉ là 110 mg. Theo Arscott những tấm vi pin này là loại microDMFC nhỏ nhất, hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ phòng hiện nay.

Nhưng Arscott nhấn mạnh rằng những cải tiến này hiện còn ẩn chứa nhiều thách thức.

Ông cho phóng viên PhysOrg biết: “Thách thức lớn nhất mà pin vi nhiên liệu gặp phải đó chính là: (1) Hoạt động tốt khi vận hành ở nhiệt độ phòng, (2) tối thiểu hóa cho viêc sử dụng trên chip điện tử, (3) tính tương thích với các hệ thống hiện có (CMOS chẳng hạn), (4) tránh dùng các hệ thống bơm phức tạp để bơm khí và nhiên liệu thay vì chúng sử dụng năng lượng để tự bơm, (5) sử dụng các màng trao đổi proton trên nền silicon và các lớp khuyếch tán hiệu suất cao (như các lớp xốp tổ ong chẳng hạn), (6) kết hợp trọn vẹn với cấu trúc vi kênh và (6) tích trữ nhiên liệu. Trong điểm thứ hai, rõ ràng pin càng có hiệu suất cao thì càng ít nhiên liệu cần được tích trữ cho suốt thời gian hoạt động.”

Ngoài những ứng dụng cho các thiết bị di động của khách hàng, pin nhiên liệu cũng có thể được tích hợp trên các nguồn năng lượng trên chip cho MEMS tự động và các thiết bị MEMS cũng như bộ cảm biến và đầu từ trong công nghệ vi điện tử silicon, lĩnh vực mà việc sử dụng nhiên liệu có hiệu suất cao là điều rất có ý nghĩa.

“Xét về mặt pin nhiên liệu và các nguồn năng lượng thì người ta có thể so sánh như sau: Một mặt, các tấm pin nhiên liệu các loại pin nhiên liệu sẽ được dùng cho xe cộ trong tương lai phải đủ lớn, phải có năng lượng điện cao, và phân bố năng lượng đủ cho những hành trình dài,” ông cho biết thêm. “Mặt khác, pin vi nhiên liệu cho thể hệ đầu từ và cảm biến trên nền MEMS hoặc MEMS tự động mới sẽ đòi hỏi sự phù hợp, trên chip và các nguồn năng lượng có hiệu suất và phân bố năng lượng cao có thể cung cấp công suất micro và mW trong một khoảng thời gian dài. Đối với trường hợp thứ hai, năng lượng đòi hỏi để vận hành bộ cảm biến và giao tiếp với môi trường (chẳng hạn như gửi một tín hiệu có ý nghĩa cảnh báo là “Có cháy rừng ở đây”). Tôi không nghĩ rằng sẽ có một loại pin nhiên liệu chung cho tất cho mọi ứng dụng, nhưng lại có thể có một loại pin nhiên liệu tiêu biểu cho mỗi ứng dụng, ví dụ pin hi-đrô cho xe hơi, pin methanol cho các hệ thống vi/na-nô tự động, bỏ túi.”

Dựa trên bước tiến trong nghiên cứu vê pin nhiên liệu, tin tưởng rằng loại pin này sẽ thay thế cho các loại pin lithium i-ông trong các thiết bị người dùng trong tương lai gần.

Arscott cho biết: “Chỉ từ một quan điểm nghiên cứu, việc dự đoán sẽ rất khó khăn. Người ta có thể thấy pin nhiên liệu cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử (như iPod, Blckberry…) trong khoảng vài năm tới. Người ta cũng có thể thấy pin nhiên liệu ứng dụng trong công nghiệp ô-tô trong vòng 20 năm tới (hoặc giả chúng ta có thể tìm ra nguồn dầu lửa khổng lồ từ Bắc Cực chẳng hạn). Sự thành công và phổ biến của một cái gì đó lệ thuộc vào nhiều yếu tố: như giá cả chi phí (năng lượng/đô-la), tính sẵn có, hiệu suất và kể cả các nhà làm luật nữa. Chẳng hạn như việc cấm các loại pin gây ô nhiễm hiện có chứa kim loại nặng có thể kích cầu cho pin nhiên liệu.”

“Một điều chắc chắn, tôi cũng như mọi người đều nghĩ rằng năng lượng sắp trở thành vấn đề nóng bỏng, và như Mark Twain (một thần tượng của tôi) đã nói: ‘Một chính phủ sẽ ra sao khi không có năng lượng? Và một con người sẽ là gì khi thiếu năng lượng? Chả ra sao và chả là gì nữa cả…’”

( Cổng thông tin khoa học công nghệ tỉnh đồng Nai )