TS. Nguyễn Ngọc Tân đang uốn miếng pin trong phòng thí nghiệm. Ảnh: Kai Jacobson/UBC

Mới đây, TS. Nguyễn Ngọc Tân (Đại học British Colombia) và các cộng sự đã lần đầu tiên chế tạo thành công một loại pin như vậy, góp phần giúp cho những bộ quần áo thông minh không còn quá xa xôi.

Đánh dấu mốc đầu tiên

Có lẽ đến nay, chúng ta đã không còn quá xa lạ với những chiếc đồng hồ thông minh giúp đo nhịp tim, huyết áp hay những dấu hiệu sinh tồn khác của cơ thể. Tuy nhiên, đây mới chỉ là một trong những ứng dụng nhỏ của cảm biến thông minh - lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, đặc biệt là hướng nghiên cứu về cảm biến điện tử nhạy và bền, có khả năng co giãn và mang được trên người như quần áo (wearable devices).

Song, xu hướng này dẫn đến một yêu cầu mới: phải có một loại pin cũng mềm dẻo tương tự để cung cấp năng lượng cho những cảm biến này. “Chẳng hạn trong lĩnh vực y sinh, có những ứng dụng đòi hỏi người bệnh phải mặc áo thông minh trong khoảng 10-12 tiếng/ngày, kể cả khi đi ngủ. Nếu dùng một viên pin bình thường thì chắc chắn nó sẽ gây cộm và rất khó chịu cho người mặc”, TS. Nguyễn Ngọc Tân, tác giả thứ nhất của bài báo “Washable and Stretchable Zn–MnO2 Rechargeable Cell” trên tạp chí Advanced Energy Materials, cho biết. “Nếu không có những viên pin mềm mại và an toàn khi tiếp xúc với cơ thể người thì sẽ khó có thể tiếp tục phát triển được các loại quần áo có cảm biến”, TS. Tân nói.

Làm việc tại Phòng Thí nghiệm Thiết kế Quy trình và Vật liệu Tiên tiến, TS. Tân đã bị bài toán này thu hút. Từ năm 2019, anh bắt đầu khảo sát và nhận thấy lĩnh vực pin dẻo cũng đã có nhiều nghiên cứu, tuy nhiên sản phẩm thực tế thì gần như chưa có. Quan trọng hơn, “làm sao để pin tồn tại được lâu (ví dụ khoảng vài năm) và đủ an toàn để mặc trên người, hay thậm chí là giặt được trong máy giặt, thì chưa thấy ai làm được”, TS. Tân cho biết.

Đào sâu hơn vấn đề này, anh và nhóm nghiên cứu nhận ra một “mảnh ghép” còn bị thiếu từ trước đến nay, đó là chưa có “bao bì” bọc pin phù hợp. “Vật liệu bao bọc phù hợp có nghĩa là nó phải đáp ứng được năm yêu cầu: (1) ngăn sự trao đổi khí và chất lỏng để giảm thiểu sự vận chuyển phân tử từ trong ra và từ ngoài vào của pin; (2) có mô đun đàn hồi nhỏ (low modulus) để phù hợp với việc tích hợp vào các thiết bị điện tử co giãn; (3) có khả năng tương thích với các thành phần của pin cũng như có tính tương thích sinh học (không gây hại cho cơ thể), đặc biệt là trong các ứng dụng tích hợp liền mạch giữa thiết bị và cơ thể con người; (4) dễ chế tạo, đặc biệt là có thể sử dụng các quy trình sản xuất có sẵn; và (5) có độ bền cơ học và hóa học trong suốt thời gian sử dụng, ngay cả khi bị biến dạng trong quá trình giặt”, nhóm nghiên cứu giải thích trong bài báo.

Để giải quyết vấn đề về độ tương thích với cơ thể, nhóm nghiên cứu của TS. Tân đã lựa chọn kẽm và mangan dioxide - chất an toàn hơn so với thành phần của pin lithium-ion thông thường - để làm vật liệu tham gia phản ứng hóa học tạo ra dòng điện. “Pin co giãn trong quần áo thông minh thường sẽ có thể tiếp xúc trực tiếp với da người, do đó chúng tôi đã chọn hợp chất này để đảm bảo nếu có bị vỡ hoặc rò rỉ, chúng cũng không tiết ra chất độc hại”, nhóm nghiên cứu nói.

Nhưng vấn đề mấu chốt và cũng là điểm khó khăn nhất trong nghiên cứu này là làm sao để vật liệu có khả năng ngăn nước thẩm thấu vào pin, đồng thời lại kết dính được các lớp (layer) vốn khác nhau của pin. “Một viên pin bao gồm rất nhiều lớp riêng biệt. Trong các viên pin truyền thống như pin ‘con thỏ’, các lớp của pin thường làm bằng một vài loại kim loại khác nhau và không có tính liên kết, do đó, khi bị gập hoặc kéo giãn, các lớp này sẽ vỡ hết. Ngược lại, nếu pin của mình có độ kết dính rất tốt giữa các lớp thì khi co kéo hoặc giặt với nhiệt độ nóng lạnh trong máy giặt, các lớp này sẽ dịch chuyển cùng nhau và chống chịu được những tác động đó”, TS. Tân giải thích.

Khi tìm phương án giải quyết vấn đề này, anh và các đồng nghiệp chú ý đến polymer - một loại vật liệu có sẵn, đã được dùng trong lĩnh vực y học nhưng chưa từng được dùng trong nghiên cứu pin trước đây. “Cho đến giờ, các thử nghiệm về pin đàn hồi thường sử dụng polydimethylsiloxane (PDMS), Ecoflex, polyurethane (PU) hay cao su butyl làm vật liệu bao bọc, song những loại này đều có những hạn chế nhất định. Chẳng hạn, PDMS có độ tương thích sinh học và độ đàn hồi cao nhưng khả năng căng cơ học (mechanical strain) lại kém. Ecoflex và PU thì lại rất dễ bị thấm nước, từ đó ảnh hưởng đến vòng đời của pin và gây rò rỉ các chất nguy hiểm cho da hoặc cơ thể con người”, nhóm nghiên cứu giải thích. Trong khi đó, khi thử nghiệm với polymer, nhóm nghiên cứu của TS. Tân nhận ra, vật liệu này không chỉ có độ ổn định hóa học và khả năng tương thích sinh học cao mà còn ít bị thẩm thấu nước nhất so với bất cứ vật liệu đàn hồi nào.

Sau hơn một năm trời mày mò thử nghiệm cũng như xây dựng quy trình sản xuất mới (do loại pin này hoàn toàn khác với pin thông thường), nhóm nghiên cứu của TS. Tân đã phát triển được một loại pin mới gồm nhiều lớp siêu mỏng, có chứa hỗn hợp kẽm và mangan dioxide nghiền nhỏ (để có thể kéo giãn), và được kết dính bằng cùng một loại polymer. Khi thử nghiệm trong máy giặt, kết quả cho thấy pin do nhóm của TS. Tân phát triển có thể “sống sót” qua 39 lần giặt mà vẫn hoạt động tốt. “Có thể thấy, với cấu trúc này, pin không bị thấm nước và vẫn đảm bảo được tính toàn vẹn qua nhiều lần sử dụng”, nhóm nghiên cứu chia sẻ.

Những tiềm năng lớn

Để kiểm tra kỹ hơn khả năng chịu đựng của pin, nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Ngọc Tân đã thử nghiệm với cả chế độ giặt lạnh và giặt nóng (lên đến 80°C), mỗi lần giặt kéo dài khoảng 1,5 tiếng đồng hồ. “Tất nhiên chúng tôi không khuyến khích giặt ở mức nhiệt này”, TS. Tân cười và nói, “tuy nhiên kết quả thử nghiệm cho thấy pin vẫn chịu được và hoạt động ổn sau khi giặt”.

Với những ưu điểm nổi trội như vậy, dù mới ở giai đoạn mô hình, loại pin này đã sớm thu hút sự quan tâm không nhỏ của một số công ty trong lĩnh vực quần áo thông minh. TS. Tân cho hay, nhóm nghiên cứu của anh đã liên kết chặt chẽ với một số công ty đang theo đuổi các sản phẩm quần áo thông minh để thử nghiệm pin nhằm đánh giá khả năng đáp ứng nhu cầu thực tế. Hiện nay, pin do nhóm của TS. Tân nghiên cứu đang có điện áp khoảng 1,5V - thấp hơn so với điện áp 3V của pin lithium-ion do phải cân bằng giữa vấn đề dung lượng và độ an toàn. “Ở bước tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm cách cải thiện hiệu suất của pin, đánh giá các tính năng an toàn trong các điều kiện khác nhau, cũng như tiếp tục nghiên cứu để tăng độ bền của pin khi giặt”, TS. Tân nói. Ngoài ra, “do khác với pin AAA thông thường, hiện nay loại pin này chưa có một kích cỡ chuẩn, mỗi công ty lại có sản phẩm đòi hỏi kích cỡ và thời gian hoạt động khác nhau, chẳng hạn như có công ty cần pin mỏng và có thể hoạt động được trong 20 tiếng, có công ty lại muốn pin dày và chỉ cần hoạt động trong 10 phút thôi. Do đó để sản phẩm có thể được bán ra thị trường, chúng tôi sẽ cần phải khảo sát xem đâu là nhu cầu chiếm đa số để từ đó tập trung phát triển pin theo kích cỡ ấy”, TS. Tân chia sẻ thêm.

Điều đáng nói là “các bước nghiên cứu ấy đã đang được tiến hành” và quan trọng hơn, loại pin này có cả một dư địa phát triển rộng lớn trong rất nhiều lĩnh vực từ y học đến thể thao,...“Có rất nhiều công ty ở Anh, Mỹ và Canada hiện đang phát triển các bộ áo quần gắn cảm biến cho người chơi thể thao để theo dõi các thông tin như huyết áp, nhiệt độ, nhịp tim hay phân tích mồ hôi để kiểm tra hàm lượng đường,... Những ứng dụng như vậy đang ngày càng phát triển rất mạnh và cái nào cũng đòi hỏi phải có một loại pin nhỏ gọn, có thể giặt được và tiếp xúc được với cơ thể mà vẫn an toàn - tương tự như loại pin mà chúng tôi đang phát triển”, TS. Tân nói. “Dù hiện nay chúng ta có thể chưa thấy, nhưng chỉ trong vòng 1-2 năm nữa thôi, các công ty này sẽ tung các sản phẩm quần áo thông minh ra thị trường. Trong 5-7 năm tới, tiềm năng phát triển của nó sẽ cực kỳ lớn”, anh đánh giá.

Nhưng với một loại pin đặc biệt như vậy, giá thành của nó hẳn cũng phải đắt đỏ vô cùng? Ngược lại, nhóm nghiên cứu cho hay: khi pin sẵn sàng để bán ra thị trường, giá của nó có thể chỉ tương đương với pin sạc truyền thống. “Thực tế, các vật liệu mà chúng tôi lựa chọn làm pin có dung lượng tương đối lớn, không thua kém nhiều so với pin lithium nhưng lại có giá thành chỉ bằng 1/10. Nếu sản xuất ở quy mô lớn, loại pin này chắc chắn sẽ cực kỳ rẻ mà lại vẫn bảo đảm an toàn”, TS. Tân khẳng định.

Mỹ Hạnh