Pin nhôm-ion gồm hai điện cực là anôt tích điện âm được làm bằng nhôm và catôt tích điện dương được làm bằng graphit.

“Các nhà khoa học đã thử chế tạo catôt bằng các loại vật liệu khác nhau”, Dai nói. “Chúng tôi tình cờ phát hiện ra rằng một giải pháp đơn giản là sử dụng graphit, về cơ bản là cacbon. Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi xác định được một loại vật liệu graphit cho kết quả rất tốt”.

Để làm thử nghiệm, nhóm nghiên cứu Stanford đặt anôt nhôm và catôt graphit, cùng với một chất điện phân ion lỏng, bên trong một túi được bọc bằng polyme mềm dẻo.

“Chất điện phân về cơ bản là muối lỏng ở nhiệt độ phòng vì vậy rất an toàn”, đồng tác giả Ming Gong cho biết.

Pin nhôm an toàn hơn so với pin lithi-ion thông thường hiện đang được sử dụng trong hàng triệu máy tính xách tay và điện thoại di động hiện nay, Dai nói thêm.

“Pin Lithi-ion có thể dễ bốc cháy”, ông nói. Một ví dụ mà ông đưa ra là quyết định gần đây của Hãng hàng không United and Delta cấm vận chuyển các lô pin lithi số lượng lớn trên máy bay chở khách.

“Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi có video cho thấy bạn có thể khoan xuyên qua các túi pin nhôm và nó vẫn tiếp tục hoạt động thêm một thời gian mà không hề bắt lửa”, Dai nói. “Trong khi đó pin lithi có thể ngừng hoạt động một cách không thể đoán trước - trong không trung, xe hơi hay trong túi của bạn. Bên cạnh tính an toàn, pin của chúng tôi còn đạt được những tính năng vượt trội khác”.

Một ví dụ là thời gian sạc cực nhanh. Trong khi phải mất nhiều giờ để sạc pin lithi-ion thì nhóm nghiên cứu Stanford cho biết nguyên mẫu pin nhôm của họ có “thời gian sạc chưa từng thấy” chỉ khoảng một phút.

Độ bền là một tính năng quan trọng khác. Trong khi pin nhôm được phát triển tại các phòng thí nghiệm khác thường hỏng chỉ sau 100 lần sạc xả nhưng pin của Đại học Stanford có thể chịu được hơn 7.500 chu kỳ mà vẫn không có thay đổi gì về khả năng tích điện của pin. “Đây là lần đầu tiên pin nhôm-ion với thời gian sạc siêu nhanh được chế tạo với sự ổn định trong hơn hàng ngàn chu kỳ sạc xả”, các tác giả nghiên cứu viết. Trong khi đó, pin lithi - ion thông thường chỉ hoạt động trong khoảng 1.000 chu kỳ.

“Một tính năng quan trọng khác của pin nhôm là độ mềm dẻo”, Gong cho biết. “Bạn có thể uốn cong nó và gập nó lại, vì vậy nó có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử mềm dẻo. Nhôm cũng là kim loại rẻ hơn lithi”.

Ứng dụng

Ngoài các thiết bị điện tử nhỏ gọn, pin nhôm có thể được sử dụng để tích trữ năng lượng tái tạo trong lưới điện, Dai nói.

“Lưới điện cần một loại pin có tuổi thọ cao và có thể nhanh chóng tích trữ và giải phóng năng lượng”, ông giải thích. “Dữ liệu mới nhất của chúng tôi cho thấy pin nhôm có thể sạc lại hàng chục ngàn lần. Thật khó để hình dung việc chế tạo pin lithi-ion khổng lồ dùng cho tích trữ năng lượng trên lưới điện”.

Công nghệ nhôm-ion cũng đem lại một thay thế thân thiện môi trường cho pin kiềm, Dai nói.

“Hàng triệu người tiêu dùng sử dụng pin AA và pin AAA điện áp 1,5 volt”, ông nói. “Pin nhôm có thể sạc lại của chúng tôi có thể sinh ra điện áp khoảng 2 volt, cao hơn bất cứ ai từng đạt được với pin nhôm”. Tuy vậy, Dai cho biết cần phải có các cải tiến mới để pin nhôm đạt được mức điện áp như pin lithi-ion.

“Hiện tại pin của chúng tôi chỉ đạt được điện áp bằng một nửa điện áp của pin lithi điển hình”, ông nói. “Tuy nhiên việc cải thiện vật liệu catôt có thể làm tăng điện áp và mật độ năng lượng. Mặt khác, pin của chúng tôi có tất cả những tính năng vượt trội mà một pin cần có: Điện cực rẻ tiền, độ an toàn cao, thời gian sạc nhanh, mềm dẻo và tuổi thọ cao. Theo tôi đây là một loại pin mới đầy tiềm năng đang trong những ngày đầu phát triển. Khá là thú vị”.