V. CÔNG NGHỆ NANO
5.2. Các nguồn điện được tăng cường tính năng bởi CNNN
Trong vài thập kỷ qua, tốc độ hoàn thiện nguồn cấp điện đã không theo kịp với sự tiến bộ nhanh chóng của các công nghệ điện tử và số (chẳng hạn như năng lực xử lý, lưu trữ dữ liệu). Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây của CNNN đã cho thấy tiềm năng không chỉ nâng cao tính năng của bộ nguồn, mà còn mở rộng phạm vi các vật liệu có thể hữu ích làm nguồn điện hoá chất và quang điện.
Các nhà khoa học đang tích cực ứng dụng CNNN và vật liệu composit nano để cải thiện hoạt động của điện cực. Sự chú trọng phần lớn đều tập trung vào việc tích hợp vật liệu nano và kết cấu pin thông thường. Ví dụ, các nhà khoa học ở trường đại học Rutgers và Viện Công nghệ Massachusetts đang nghiên cứu các điện cực composit nano để cải thiện mật độ năng lượng và mật độ điện cho các pin thông thường. Khu vực công nghiệp cũng tích cực tham gia vào lĩnh vực này bằng việc cố gắng thúc đẩy các của CNNN mới và đang nổi để cải thiện tính năng của các loại pin hiện đã có trên thị trường.
Ngoài ra, trong thập kỷ qua, nhiều thiết bị vi cơ điện (MEM) đã được phát triển và thương mại hoá ở một số ứng dụng (chẳng hạn như hệ thống khai triển túi khí trên ôtô, các cảm biến chuyển động đột ngột trong điện tử học, các máy quang phổ cận hồng ngoại). MEM thường được chế tạo bằng kỹ thuật vi mạch (chẳng hạn như in lito, khắc), trong đó các thiết bị sản xuất ra có các chi tiết và cấu phần ở cấp micron. Gần đây, một số lượng
ngày càng tăng các hệ thống cơ điện nano (NEM) đã được phát triển với mục tiêu tiếp tục giảm bớt kích thước chi tiết xuống cấp nano. Một trong những thách thức khiến cho NEM vẫn còn hạn chế tính khả dụng là ở khâu nguồn điện. Nhiều khi, nguồn điện lại quá lớn so với kích thước của MEM/NEM. Bởi thế, các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu các phương pháp tạo ra các loại pin được cấu trúc ở cấp nano để có được nguồn điện ngay tại thiết bị, hoặc trên con chip nhằm tăng cường phạm vi ứng dụng của các thiết bị cực nhỏ này.
Tiến bộ của CNNN cũng đang bắt đầu có tác động lớn tới công nghệ pin mặt trời. Các công ty, chẳng hạn như Konarka, đã bắt đầu sử dụng các hạt nano titani đioxyt phủ chất nhuộm để tạo khả năng nhận được các loại pin mặt trời mềm, nhiệt độ thấp hơn, do vậy Konarka có thể sử dụng các chất nền polyme mềm thay cho chất nền thuỷ tinh thông thường. Điều này tạo khả năng kết hợp pin mặt trời vào rất nhiều loại vật liệu (chẳng hạn như vải, vật liệu xây dựng). Các nhà khoa học khác đang tìm cách kết hợp hạt nano với pin mặt trời nhằm mục đích nâng cao hiệu suất biến đổi. Ví dụ, các nhà khoa học ở trường đại học Toronto đã dùng các chấm lượng tử (Quantum Dot) đã giúp pin mặt trời có tác dụng cả với vùng phổ hồng ngoại (có bước sóng lớn hơn 800 nano). Gần đây, Konarka đã liên doanh với Evident để thay thế chất nhuộm hữu cơ có trong pin mặt trời bằng các điểm lượng tử. Mục tiêu của họ là tăng độ nhạy của pin để có thể tác dụng với phổ ánh sáng nhìn thấy, do vậy nâng cao được hiệu suất của pin.
Hiện trạng
Hiện vẫn còn tương đối ít các sản phẩm ở dạng thương mại đối với các loại pin và pin mặt trời được tăng cường bởi CNNN. Nhiều công trình nghiên cứu về điện cực composit nano, các pin được cấu trúc ở cấp nano và các vật liệu nano dùng cho pin mặt trời vẫn còn đang được thực hiện ở các trường đại học và phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, có một số lượng ngày càng tăng các công ty đang bắt đầu áp dụng một số các tiến bộ gần đây để đưa ra các sản phẩm thương mại. Ví dụ, Konarka nhận được tài trợ để tạo ra các pin mặt trời mềm phục vụ cho quân đội Mỹ, nhằm giảm bớt tải trọng các nguồn điện mà binh sỹ cần mang theo. Ngoài ra, một số công ty như mPhase Technologyes, Altair Nanotech và Toshiba đang phát triển các điện cực được cấu trúc ở cấp nano với mục đích tăng tuổi thọ và tốc độ phóng, nạp điện của pin.
Đối với nguồn điện cung cấp cho MEM/NEM, cần nhiều R&D hơn nữa thì các thiết bị đó mới được biến thành các sản phẩm thương mại.
Triển vọng tới năm 2020
Trong những năm tới, nhiều cải tiến về thiết kế điện cực và cấu trúc pin có khả năng sẽ được áp dụng vào các loại pin đã có mặt trên thị trường. Các công nghệ, chẳng hạn như các điện cực composit nano có thể sẽ thâm nhập mạnh vào thị trường, vì công nghệ này phù hợp với thiết kế pin thông thường. Các phương án thiết kế pin 3 chiều dựa vào các cấu trúc nano cũng sẽ có rất nhiều khả năng đưa ra thị trường. Trong khoảng thời gian này, các cấu trúc pin 3 chiều chưa chắc sẽ thay thế được các pin hiện nay dùng cho điện thoại di động và máy tính. Tuy nhiên, có những động lực thị trường quan trọng liên quan đến MEM và
NEM, với những lợi ích rất lớn sẽ thu được từ các công nghệ được tăng cường bởi CNNN đang nổi lên hiện nay. Cuối cùng, các tiến bộ trong việc sử dụng vật liệu nano và cấu trúc nano có khả năng sẽ giúp đưa lại những pin mặt trời mềm, hiệu suất cao. Những công trình gần đây trong việc sử dụng điểm lượng tử và các pin mặt trời được nâng cao tính năng nhờ CNNN khác cho thấy những tiến bộ của CNNN cũng có thể giúp nâng cao hiệu quả biến đổi lên mức ngang bằng hoặc thậm chí lớn hơn so với các pin mặt trời đang được thương mại hiện nay. Nhờ sự hoàn thiện trong khâu chế biến, có thể các công nghệ pin mặt trời sẽ ngày càng được kết hợp vào các sản phẩm tiêu dùng khác, chẳng hạn như vật liệu xây dựng (vật liệu làm trần/mái nhà), các thiết bị điện tử (vỏ điện thoại di động và máy tính) và thậm chí được đưa vào vải (lều bạt và các đồ khoác bên ngoài).
Ý nghĩa xã hội
Một số các ứng dụng công nghệ đang nổi hiện nay đã bị kìm hãm bởi những thách thức hoặc không có những tiến bộ liên quan đến công nghệ pin và nguồn điện. Những cải tiến trong lĩnh vực nguồn điện được nâng cao tính năng bởi CNNN có tiềm năng đem lại ảnh hưởng to lớn tới nhiều phương diện mà công nghệ tác động tới xã hội. Một trong những động lực thúc đẩy hoàn thiện các pin là khả năng cải thiện hoạt động của các ôtô chạy bằng pin hoặc ôtô kiểu lai.
Một tác động quan trọng nữa đối với xã hội là khả năng sử dụng các loại pin được cấu trúc ở cấp nano trong MEM/NEM. Nhiều trường hợp, bộ phận có kích thước lớn nhất là nguồn điện, đặc biệt là khi điện được cấp ở trên con chip hoặc trên thiết bị. Trong 15 năm tới, những tiến bộ lớn của các pin có kết cấu 3 chiều có thể sẽ giúp đem lại các cảm biến và và thiết bị truyền thông nhỏ hơn, có khả năng tự quản. Sự cải thiện nguồn điện của MEM/NEM có thể tạo khả năng sử dụng rộng rãi những thiết bị này cho các cảm biến nhỏ tự quản. Bởi vậy, những vấn đề xã hội tiềm ẩn sẽ bao gồm việc tạo khả năng theo dõi liên tục và gia tăng, quản lý các cảm biến và các vấn đề riêng tư có liên quan.
Cuối cùng, những tiến bộ của pin mặt trời có thể tác động tới việc ứng dụng các nguồn điện phân tán. Những pin mặt trời rẻ hơn, mạnh hơn và mềm có thể sẽ được kết hợp vào vải hoặc vật liệu xây dựng, gây thay đổi quan trọng tới kết cấu hạ tầng điện năng phân tán.
