Công nghệ pin mới đang mở ra khả năng khai thác những nguồn năng lượng tưởng chừng vô hình quanh ta. Mỗi giây, cơ thể người tỏa ra một lượng nhiệt lớn để duy trì cân bằng sinh học. Phần nhiệt này hầu như mất đi vào môi trường mà không được sử dụng.
Trong khi đó, nhu cầu điện năng cho các thiết bị nhỏ như đồng hồ thông minh, cảm biến y tế hay tai nghe không dây ngày càng cao. Sự chênh lệch giữa nguồn năng lượng sẵn có và việc khai thác hiệu quả đã gợi ý cho các nhà khoa học một hướng đi mới: biến nhiệt cơ thể thành điện.
Xem thêm:
Sạc nhanh dưới 15 phút: bước ngoặt mới cho pin lithium kim loại
Tương lai của điện tử công suất: nhỏ gọn, nhẹ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Sự khác nhau của bảo vệ kiểu G (ground) và N (neutral)
Khuyên nghị: Nâng cấp cách điện lưới 22 kV ở môi trường cực đoan
Nguyên lý của pin thermogalvanic Công nghệ pin mới
Pin thermogalvanic, gọi tắt là TG cell, hoạt động dựa trên hiện tượng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điện cực. Khi hai điện cực cùng chứa một cặp phản ứng oxi hóa – khử nhưng đặt trong môi trường nóng và lạnh khác nhau, sự khác biệt này tạo nên một hiệu điện thế. Hiện tượng này giống như một “cầu nối” giúp chuyển đổi dòng nhiệt thành dòng điện.
Điểm quan trọng nằm ở hệ số Seebeck – giá trị thể hiện mức điện áp tạo ra trên mỗi độ chênh nhiệt. Hệ số càng lớn, khả năng chuyển đổi năng lượng càng hiệu quả. Ở pin thermogalvanic truyền thống, hệ số này thường khá thấp, khiến công suất phát điện còn hạn chế.
Cơ chế khuếch tán nhiệt hỗ trợ
Bước ngoặt mới đến từ việc bổ sung cơ chế khuếch tán ion dưới tác động nhiệt. Trong các thí nghiệm, vật liệu polymer dẫn điện PEDOT:PSS được kết hợp với muối sắt Fe(ClO₄)₂/₃. Khi có chênh lệch nhiệt độ, các ion ClO₄⁻ dịch chuyển từ vùng nóng sang vùng lạnh, tạo thêm một thế điện động bổ sung. Nhờ đó, suất điện động tổng cộng tăng cao hơn nhiều so với chỉ dựa trên phản ứng hóa học ban đầu.
Thực nghiệm cho thấy hệ số Seebeck đạt giá trị −40 mV/K, cao gấp hàng trăm lần so với các pin thông thường. Điều này có nghĩa chỉ cần chênh nhiệt vài độ giữa da và không khí, pin đã đủ tạo ra điện áp sử dụng.
Nhiệt cơ thể vốn được coi là dạng năng lượng khó tận dụng, vì độ chênh nhiệt với môi trường thường nhỏ. Tuy nhiên, TG cell đã chứng minh điều ngược lại. Với mức công suất vài trăm microwatt, nguồn điện tạo ra hoàn toàn có thể nuôi sống các thiết bị đeo hiện đại. Đồng hồ thông minh, vòng tay đo sức khỏe hay cảm biến y tế gắn liền cơ thể sẽ không còn phụ thuộc vào việc sạc pin thường xuyên.
Lợi ích không chỉ nằm ở sự tiện lợi. Việc giảm sử dụng pin sạc truyền thống đồng nghĩa giảm thiểu rác thải hóa học, góp phần bảo vệ môi trường. Đồng thời, cơ chế này mở ra một dạng “năng lượng cá nhân” – nơi con người tự cung cấp điện từ chính cơ thể của mình.
Trong các nghiên cứu gần đây, một mô-đun TG gồm 16 phần tử đã tạo ra công suất đầu ra khoảng 360 µW. Đây là mức đủ để cấp nguồn cho cảm biến không dây hoặc thiết bị Bluetooth tiết kiệm năng lượng. Thử nghiệm gắn trực tiếp trên cổ tay cho thấy điện áp thu được khoảng 1,5 V – tương đương một viên pin kiềm cỡ nhỏ.
Điều này khẳng định tính khả thi trong ứng dụng thực tế. Thay vì chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm, công nghệ TG cell đã tiến một bước gần hơn đến việc trở thành sản phẩm thương mại phục vụ đời sống.
Khả năng biến nhiệt cơ thể thành điện mở ra nhiều hướng đi. Trong lĩnh vực y tế, bệnh nhân có thể sử dụng cảm biến theo dõi đường huyết hoặc nhịp tim liên tục mà không cần thay pin. Trong công nghiệp, nhiệt thải từ động cơ, máy móc hoặc môi trường làm việc cũng có thể được tận dụng để cấp nguồn cho hệ thống IoT.
Về lâu dài, nếu công nghệ TG cell được thương mại hóa, chúng ta có thể hình dung những thiết bị đeo không bao giờ phải sạc, hay thậm chí quần áo thông minh có khả năng tự tạo năng lượng. Đây sẽ là một mảnh ghép quan trọng trong bức tranh năng lượng xanh và bền vững.
Nguồn: Energy & Environmental Science