Pin kẽm do NTU Singapore phát triển được tạo thành từ các điện cực (qua đó dòng điện đi vào và đi ra) được in trên cả hai mặt giấy cellulose, gia cố bằng hydrogel. Khi pin đã hết thời hạn sử dụng, có thể bị vất vào hố rác, chôn vùi trong đất, sẽ phân hủy hoàn toàn trong vòng một tháng.

Trong một thí nghiệm chứng minh ý tưởng, được giới thiệp trên Tạp chí khoa học Advanced Science , nhóm NTU cho thấy, một tấm pin giấy in hình vuông kích thước 4cm x 4cm có thể cung cấp năng lượng cho một chiếc quạt điện nhỏ 45 phút. Uốn hoặc xoắn pin không làm gián đoạn nguồn điện .

Nhóm nghiên cứu sử dụng pin 4cm x 4cm, cấp nguồn cho đèn LED, cắt đi một phần của pin giấy, đèn LED vẫn sáng bình thường, không ảnh hưởng đến chức năng hoạt động của pin.

Nhóm nghiên cứu khẳng định, pin in trên giấy có thể tích hợp vào những thiết bị điện tử linh hoạt như điện thoại thông minh mềm hoặc những cảm biến y sinh mỏng theo dõi sức khỏe.

GS Fan Hongjin thuộc Trường Khoa học Vật lý và Toán học NTU, đồng tác giả công trình nghiên cứu cho biết, đây là một phương pháp sản xuất pin đơn giản, rẻ. Có thể sản xuất một miếng pin lớn, sau đó cắt theo hình dạng và kích thước cần thiết mà không làm giảm hiệu suất.

PGS Lee Seok Woo thuộc Trường Kỹ thuật Điện và Điện tử NTU, đồng tác giả của nghiên cứu cho rằng, pin giấy giải quyết một phần vấn đề rác thải điện tử do pin giấy in không độc hại, không yêu cầu vỏ nhôm hoặc nhựa bao bọc các thành phần của pin. Pin lưu trữ lượng điện năng cao hơn, có thể cung cấp năng lượng trong những thiết bị điện tử linh hoạt.

Nghiên cứu phát triển pin kẽm giấy in của nhóm nghiên cứu NTU, có sự tham gia của nghiên cứu sinh TS Yang Peihua và nghiên cứu sinh TS Li Jia nằm trong quan điểm tầm nhìn NTU 2025 và Tuyên ngôn Bền vững của trường, thúc đẩy nghiên cứu phát triển các giải pháp bền vững nhằm giải quyết những thách thức lớn của nhân loại.

Pin cung cấp năng lượng cho các thiết bị thông qua phản ứng điện hóa, tạo ra năng lượng điện. Các hoạt động bên trong của pin thường được đặt trong một vỏ kim loại hoặc nhựa. Cực âm và cực dương là những điện cực nơi các phản ứng điện hóa diễn ra.

Pin kẽm phân hủy sinh học mỏng như giấy cho các thiết bị điện tử linh hoạt và mang đeo. Video: Đại học Công nghệ Nanyang

Một lớp phân cách nằm giữa cực âm và cực dương hình thành rào cản, ngăn cách và cho phép điện tích di chuyển tự do giữa các điện cực, tránh đoản mạch. Bên trong pin có một môi trường chất điện phân, cho phép điện tích chạy giữa cực âm và cực dương.

Để phát triển nguyên mẫu pin mỏng, nhẹ không đóng gói, các nhà khoa học của NTU áp dụng "thiết kế bánh sandwich" cho pin. các điện cực giống như lát bánh mì, in trên giấy cellulose, được coi là nhân bánh sandwich.

Quá trình chế tạo bắt đầu bằng phương pháp gia cố giấy cellulose, sử dụng hydrogel lấp đầy các khoảng trống sợi tự nhiên trong vật liệu cellulose. Phương pháp này tạo thành một lớp phân cách dày đặc, ngăn chặn hiệu quả sự trộn lẫn của các điện cực, chế tạo bằng phương pháp in 3D bằng vật liệu “mực điện cực” và lên cả hai mặt của giấy cellulose, gia cố bằng hydrogel.

Mực “điện cực” để in cực dương (anode) được tạo thành từ kẽm và muội than (cacbon dẫn điện). Mực cực âm cathode được chế tạo một loại với mangan và một loại khác với niken để chứng minh cho ý tưởng. Nhóm nghiên cứu cho rằng các kim loại khác cũng có thể được sử dụng.

Sau khi in các điện cực, pin được ngâm trong chất điện phân. Sau đó, một lớp mỏng bằng vàng được phủ lên các điện cực nhằm tăng độ dẫn điện của pin. Sản phẩm cuối cùng dày khoảng 0,4mm, tương đương độ dày của hai sợi tóc người.

Do hydrogel và cellulose phân hủy tự nhiên bởi vi khuẩn, nấm và các vi sinh vật khác, có thể vất pin vào thùng rác khi hết thời gian sử dụng, khi bị chôn vùi sẽ phân hủy hoàn toàn trong vài tuần.  Thử nghiệm khả năng phân hủy sinh học của pin giấy, nhóm nghiên cứu NTU chôn nguyên mẫu pin trong đất một khu vườn trên sân thượng trong khuôn viên NTU. Giấy cellulose gia cố bằng hydrogel mục nát sau hai tuần và phân hủy hoàn toàn trong vòng một tháng.

Theo GS Fan, khi quá trình phân hủy xảy ra, các vật liệu điện cực giải phóng vào môi trường. Niken hoặc mangan trong các cực âm vẫn ở dạng oxide hoặc hydroxide, như dạng khoáng chất tự nhiên. Kẽm trong cực dương sẽ bị oxy hóa tự nhiên tạo thành hydroxide không độc hại. Ưu điểm này cho thấy, pin giấy sẽ là một giải pháp thay thế bền vững hơn cho những loại pin đang sử dụng hiện nay.

Nhóm NTU tiếp tục phát triển nghiên cứu ứng dụng pin giấy cho tất cả các loại thiết bị điện tử in, da điện tử và các thiết bị mang đeo, dán trong tương lai của IoT.