Một phương pháp mới tạo ra các loại vật liệu siêu mỏng có thể cho ra đời những loại pin nhiên liệu tốt hơn.

Hơn nữa, pin làm bằng phương pháp chế tạo vật liệu mới có khả năng sử dụng các loại nhiên liệu sẵn có hiện nay thay cho hydro, loại khí đốt khó sản xuất cũng như chứa đựng. Nó sẽ có kích thước nhỏ hơn, hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với các loại pin nhiên liệu ôxít rắn (solid-oxide fuel cells - SOFCs) mà ban đầu được sử dụng cho nhà máy phát điện hay các ứng dụng cố định khác.

Phương pháp tổng hợp trên được giáo sư trường Harvard, Shriram Ramanathan chuyên ngành khoa học vật liệu phát triển đã tạo ra các chất điện phân ôxít rắn có chất lượng cao. Các cực này chỉ dày khoảng 25 nanomét, tức chỉ bằng 1/1.000 bề dày các cực điện phân trong các pin SOFC hiện nay. Cực điện phân mỏng hơn cho phép các pin nhiên liệu hoạt động tốt ở nhiệt độ 300oC, thấp hơn nhiều so với 800 - 1000oC ở các SOFC hiện nay. Nhiệt độ thấp hơn sẽ làm giảm chi phí sản xuất và dễ tạo thành khối pin nhỏ gọn để sử dụng cho các phương tiện giao thông cũng như cho các máy phát điện cầm tay.

Sử dụng trực tiếp các loại nhiên liệu

Hiện một số hãng sản xuất xe hơi lớn đang phát triển các pin nhiên liệu dựa trên màng trao đổi proton song chỉ chạy được với hydro, giáo sư điện gốm sứ Harry Tuller thuộc Viện MIT cho biết. Ông cũng là người phát triển công nghệ mới này. Sử dụng hiđrô có rất nhiều nhược điểm. Nó phải được sản xuất từ các nguồn như khí đốt thiên nhiên hoặc nước, một quá trình tiêu tốn nhiên liệu và thải nhiều CO2. Hơn nữa, nó là loại khí đốt loãng nên rất khó lưu giữ và chưa có hệ thống hạ tầng rộng khắp để cung cấp nhiên liệu này.

Pin nhiên liệu ôxít rắn là sự thay thế tốt hơn. Chúng có thể hoạt động không chỉ với hiđrô mà còn cả với khí đốt thiên nhiên, dầu diesel cũng như các loại nhiên liệu lỏng khác. Sử dụng trực tiếp khí đốt thiên nhiên sẽ cắt giảm các bước trung gian tiêu tốn năng lượng để sản xuất và nén lỏng khí hydro để chứa và vận chuyển phân phối.

Nhược điểm chủ yếu của pin nhiên liệu ôxít rắn trước đây là chúng chỉ hoạt động ở nhiệt độ rất cao (800 - 1000oC) do đó cần các loại vật liệu đắt tiền, cần thời gian khởi động lâu và rất khó chế tạo nhỏ gọn cho các ứng dụng di chuyển. Chính điều này đã khiến ngày càng nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới tìm cách làm giảm nhiệt độ hoạt động của nó. Một số nhà nghiên cứu như Tuller và Fritz Prinz, giáo sư khoa học vật liệu và cơ khí của Đại học Stanford đã tạo ra nguồn SOFC hoạt được ở nhiệt độ chỉ khoảng vài trăm độ C. Công ty Lilliputian Systems thuộc Viện MIT cũng đã phát triển thành công nguồn SOFC cho các ứng dụng xách tay. Ramanathan, người đã đưa ra pin nhiên liệu ở dạng sơ khai hoạt động ở nhiệt độ từ 300 - 500oC hy vọng, phương pháp tổng hợp vật liệu ôxít của mình có thể tạo ra được các pin nhiên liệu làm việc tốt ở 200o C.

Tương lai mở rộng

Điểm nổi bật nhất trong phương pháp của Ramanathan có lẽ là các pin nhiên liệu hoạt động được ở nhiệt độ bình thường. Thông thường, việc tạo các ôxít với một kiểu cấu trúc tinh thể để có hiệu năng hoạt động cao đòi hỏi cần có nhiệt độ cao. Còn phương pháp của Ramanathan về cơ bản là sử dụng năng lượng từ các phôtôn trong tia cực tím thay cho năng lượng nhiệt: tia cực tím tạo ra ôxi tự do để phản ứng với các kim loại hình thành nên các ôxít.

Nhiệt độ hoạt động thấp cho phép kiểm soát tốt hơn cấu trúc của vật liệu và có thể cải thiện các diện tiếp xúc giữa các lớp cực trong pin nhiên liệu, Evgeni Gusev, giám đốc nghiên cứu và phát triển của Qualcomm MEMS tại San Jose, CA cho biết: "Với các ứng dụng ở nhiệt độ cao thì cũng tạo ra rất nhiều sự phá hoại".

Phá hoại có thể bao gồm sự thâm nhập của các vật liệu liền kề dẫn đến những thay đổi tính chất điện không mong muốn. Ngoài ra, nhiễm bẩn trên bề mặt điện cực cũng gây ra rắc rối lớn, Tuller nói. Trong công trình của mình, ông đã cho thấy, với bề mặt điện cực sạch có thể khiến pin nhiên liệu hoạt động tốt hơn cả ngàn lần.

Cho tới nay, Ramanathan mới chỉ lắp ráp một cách thô sơ loại pin nhiên liệu kiểu mới để cho thấy tính khả thi của phương pháp mới của mình. Trong năm tới, ông sẽ phát triển các mẫu pin xếp tầng theo cụm để làm tăng khả năng phát điện của pin nhiên liệu. Sự trình diễn này cũng cho thấy Ramanathan có thể tạo ra các chất điện phân chất lượng cao. Giờ đây ông sẽ tập trung nghiên cứu sử dụng kỹ thuật của mình để tạo ra các cấu trúc ôxít chất lượng cao cho vật liệu làm điện cực. Một thách thức khác không chỉ với Ramanathan mà còn với những người khác là kết hợp những vật liệu mới vào một khối hoàn chỉnh sao cho có được năng lượng đủ lớn.

Tuấn Long

(Theo T. R)