Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ  (EMPA), thành viên của Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ETH phát triển thành công tụ điện mini, có thể phân hủy sinh học giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Tụ điện được chế tạo từ cacbon, xenlulose, glixerin và muối ăn, hoạt động với độ tin cậy cao.

Thiết bị chế tạo pin phân hủy sinh học, có thể tạo ra một cuộc cách mạng năng lượng là một máy in 3D thông dụng được sửa đổi, đặt trong phòng thông thường thuộc tòa nhà cơ sở thí nghiệm Empa.

Siêu tụ điện vi mô in 3D phân hủy sinh học

 Cấu trúc siêu tụ điện in 3D phân hủy sinh học

Nhưng đổi mới thực sự nằm trong công thức tạo ra loại mực sền sệt mà máy in 3D dùng để in lên mặt phẳng nền. Hỗn hợp mực in được chế tạo từ các sợi nano xenlulose và tinh thể nano xenlulose, kết hợp với các phần tử carbon đen, than chì và than hoạt tính. Các nhà nghiên cứu sử dụng glycerin, nước, hai loại cồn khác nhau và một chút muối ăn tạo độ dẫn điện ion để hóa lỏng những vật liệu này.

Quy trình chế tạo siêu tụ điện sinh học rất đơn giản, các nhà khoa học Thụy Điển, sử dụng máy in 3D in 4 lớp: lớp nền mềm dẻo, lớp dẫn điện, các điện cực và cuối cùng là chất điện phân. Toàn bộ những lớp in liên tiếp được gấp lại như một chiếc bánh sandwich với chất điện phân ở giữa.

Sản phẩm thu được là một phép lạ sinh thái. Tụ điện mini từ phòng thí nghiệm có thể lưu trữ điện trong nhiều giờ, cấp điện cho một chiếc đồng hồ kỹ thuật số nhỏ. Tụ điện có thể làm việc với hàng nghìn chu kỳ sạc và xả, lưu giữ trong nhiều năm, làm việc trong điều kiện nhiệt độ đóng băng, có khả năng chịu nén và va đập.

Nguồn cung cấp năng lượng phân hủy sinh học

Nhưng ưu điểm tuyệt vời nhất là khi không cần sử dụng, có thể quăng pin vào rác thải tự nhiên ngoài môi trường. Sau hai tháng tiếp xúc với đất, tụ điện sẽ tan rã, chỉ còn lại vài mẩu cacbon. Các nhà khoa học đã thử nghiệm nhiều lần khả năng phân hủy này.

Nghiên cứu sinh Xavier Aeby thuộc phòng thí nghiệm Vật liệu gỗ & Xenlulo của Empa cho biết: “Quy trình có vẻ đơn giản, nhưng phải mất rất nhiều thời gian thí nghiệm cho đến khi tất cả các thông số đều phù hợp, tất cả các thành phần chảy ra từ máy in thực sự  tin cậy và tụ điện hoạt động. Xavier Aeby nói: “Là nhà nghiên cứu, chúng tôi không muốn đoán mò, chúng tôi muốn hiểu những gì đang diễn ra trong những vật liệu sử dụng.”

Sau hai tháng bị chôn vùi trong đất, tụ điện phân hủy, chỉ còn lại một vài mẩu cacbon có thể nhìn thấy được. Ảnh: Gian Vaitl / Empa.

Cùng với người hướng dẫn, giáo sư Gustav Nyström, nghiên cứu sinh Xavier Aeby đã phát triển và triển khai khái niệm thiết bị lưu trữ điện có thể phân hủy sinh học. Ông Aeby nghiên cứu kỹ thuật hệ thống vi mô tại EPFL, đến Empa để lấy bằng tiến sĩ khoa học.

Nhóm nhà khoa học Nyström nghiên cứu các chức năng keo (gels) nanocellulose trong thời gian dài. Vật liệu này không chỉ là một nguyên liệu thô dễ tái tạo, thân thiện với môi trường mà những tính chất hóa học bên trong khiến vật liệu trở nên vô cùng linh hoạt.

Giáo sư Gustav Nyström nói: “Dự án về một hệ thống lưu trữ điện có thể phân hủy sinh học gắn bó với tôi trong thời gian dài. Dự án Pin giấy in 3D của nhóm được thực hiện với nguồn tài trợ nội bộ của Empa và đã đạt được mục tiêu đầu tiên của mình ”.

Ứng dụng trong (IoT)

Nyström và Aeby tin tưởng rằng, siêu tụ điện sẽ nhanh chóng trở thành một thành phần quan trọng của Internet of Things (IoT). Trong tương lai, những tụ điện vi mô sinh học có thể được sạc nhanh bằng điện từ trường, sau đó cung cấp năng lượng cho một cảm biến hoặc một bộ truyền dẫn vi mô trong nhiều giờ”.

Công nghệ này có thể được sử dụng để cung cấp thông tin về từng gói hàng trong quá trình vận chuyển và kinh doanh. Các pin sinh học được sử dụng để cung cấp năng lượng cho những cảm biến giám sát môi trường hoặc nông nghiệp mà không cần phải thu nhặt do sẽ pin phân hủy sau khi hết thời hạn sử dụng.

Gustav Nyström cho biết: “Số lượng thiết bị vi mô điện tử y tế cũng sẽ tăng lên do sử dụng nhiều trong chẩn đoán cho bệnh nhân (xét nghiệm tại điểm chăm sóc). Những thiết bị thu thập dữ liệu bệnh nhân để đầu giường hoặc thiết bị đeo cho các bệnh nhân cách ly tại nhà . Tụ điện xenlulose rất phù hợp cho những ứng dụng này.”