Pin hạt nhân mới có thể dùng hàng chục năm không cần sạc

Một nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST), dẫn đầu bởi Giáo sư Su-Il In, vừa công bố một bước đột phá trong công nghệ pin: chế tạo thành công pin hạt nhân perovskite betavoltaic (PBC) – loại pin có khả năng cung cấp điện liên tục trong nhiều thập kỷ mà không cần sạc.

Loại pin mới này hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi phóng xạ beta thành điện năng – cụ thể là sử dụng carbon-14, một đồng vị phóng xạ của carbon, kết hợp với các vật liệu perovskite và chấm lượng tử. Carbon-14 là phụ phẩm của các lò phản ứng hạt nhân, rẻ tiền, dễ thu hồi và có chu kỳ phân rã chậm, lý tưởng cho các thiết bị cần nguồn điện lâu dài.

Trong cấu trúc của pin, nhóm nghiên cứu tích hợp các hạt nano carbon-14 và chấm lượng tử làm điện cực, kết hợp với lớp màng perovskite được gia cố bằng hai chất phụ gia chứa clo: methylammonium chloride (MACl) và cesium chloride (CsCl). Sự kết hợp này giúp củng cố cấu trúc tinh thể của perovskite, tăng độ bền và khả năng di chuyển electron trong pin. Kết quả thử nghiệm ghi nhận mức cải thiện hiệu suất điện tử gấp 56.000 lần so với thiết kế cũ và khả năng hoạt động liên tục đến 9 giờ trong điều kiện thử nghiệm.

“Đây là lần đầu tiên perovskite được tích hợp thành công vào một tế bào betavoltaic,” nhóm nghiên cứu khẳng định.

Điểm đặc biệt của công nghệ betavoltaic là an toàn sinh học: tia beta từ carbon-14 không thể xuyên qua da người và dễ dàng bị chặn lại bằng các vật liệu như nhôm. Điều này khiến pin hạt nhân dạng này phù hợp cho nhiều ứng dụng dân dụng.

Để cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng – tức khả năng biến các electron thành dòng điện hữu dụng – nhóm nghiên cứu sử dụng thêm bán dẫn titanium dioxide (TiO₂), thường dùng trong pin mặt trời, cùng thuốc nhuộm chứa ruthenium. Các hạt beta từ carbon-14 khi va chạm vào thuốc nhuộm sẽ kích hoạt chuỗi phản ứng tạo “thác electron”, được titanium dioxide thu nhận và đưa vào mạch điện.

Một cải tiến đáng chú ý khác là nhóm đã tích hợp carbon-14 vào cả cực dương và cực âm, giúp tăng lượng bức xạ beta và giảm thất thoát năng lượng. Nhờ vậy, hiệu suất chuyển đổi đã nâng từ 0,48% lên 2,86% – một bước tiến lớn với công nghệ betavoltaic.

Tuy nhiên, so với pin lithium-ion thông thường, lượng điện mà pin hạt nhân tạo ra vẫn còn thấp. Giáo sư In cho biết: “Chúng tôi đang nghiên cứu tối ưu hình dạng của nguồn phát tia beta và tìm các chất hấp thụ hiệu quả hơn để nâng công suất.”

Ông nhấn mạnh: “Đây là lần đầu tiên công nghệ betavoltaic được chứng minh có tính ứng dụng thực tế. Chúng tôi đang hướng đến thương mại hóa nguồn điện thế hệ mới cho các môi trường khắc nghiệt, đồng thời thu nhỏ thiết bị và chuyển giao công nghệ.”

Nghiên cứu sinh Junho Lee chia sẻ thêm: “Mỗi ngày nghiên cứu đều đầy thử thách và dường như bất khả thi, nhưng chúng tôi được thúc đẩy bởi niềm tin rằng tương lai năng lượng quốc gia nằm trong tay mình.”

Nhóm nghiên cứu tin rằng, nếu được phát triển thêm, loại pin này có thể dùng trong máy trợ tim, thiết bị cảm biến siêu nhỏ, drone, vệ tinh và cả tàu thăm dò không gian. Như lời giáo sư In: “Chúng ta có thể đưa năng lượng hạt nhân an toàn vào những thiết bị nhỏ bằng ngón tay.”

Nguồn: DGIST, American Chemical Society, Royal Society of Chemistry