Pin lithium-ion (Li-ion) đã trở thành xương sống của thế giới công nghệ hiện đại, cung cấp năng lượng cho từ điện thoại thông minh đến xe điện. Tuy nhiên, những hạn chế như vòng đời ngắn, hiệu suất bão hòa và vấn đề xử lý chất thải đã khiến các nhà khoa học tìm kiếm giải pháp thay thế.

Giáo sư Su-Il In cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST) (Hàn Quốc) đã giới thiệu một giải pháp đầy hứa hẹn: pin hạt nhân chạy bằng radiocarbon, có thể hoạt động hàng thập kỷ mà không cần sạc lại. Công trình nghiên cứu này đã được trình bày tại Hội nghị Mùa xuân 2025 của Hiệp hội Hóa học Mỹ (ACS), nơi quy tụ hàng nghìn công trình khoa học tiên tiến nhất.

Công nghệ đột phá chuyển hóa tia beta thành điện năng

Không giống như các nguồn năng lượng hạt nhân truyền thống sử dụng uranium hay plutonium, thiết kế của Giáo sư In tập trung vào radiocarbon (carbon-14). Đồng vị này có chu kỳ bán rã lên tới 5.730 năm, giúp pin có tuổi thọ cực dài.

Cơ chế hoạt động của pin hạt nhân dựa trên quá trình phát xạ tia beta, trong đó các hạt năng lượng cao va chạm với vật liệu bán dẫn, kích thích dòng điện chạy qua mạch ngoài. Thiết kế này giúp đảm bảo độ an toàn tối đa, bởi tia beta phát ra từ radiocarbon có thể được kiểm soát dễ dàng chỉ bằng một lớp nhôm mỏng.

Nguyên mẫu pin hạt nhân của nhóm nghiên cứu sử dụng chất bán dẫn titanium dioxide (TiO₂), thường thấy trong pin mặt trời. Để tăng hiệu suất chuyển đổi, vật liệu này được kết hợp với thuốc nhuộm ruthenium và xử lý bằng axit citric, tạo ra một cơ chế khuếch đại electron tối ưu.

Hiệu suất thực tế và tiềm năng ứng dụng

Dù vẫn còn xa mới đạt hiệu suất như pin Li-ion, nhưng pin radiocarbon đã tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ 0,48% lên 2,86% – một bước tiến lớn so với các thiết kế trước đây.

Đổi lại, tuổi thọ dài và độ bền cao mở ra nhiều ứng dụng quan trọng:

Y tế: Máy điều hòa nhịp tim có thể hoạt động trọn đời bệnh nhân, loại bỏ nguy cơ phẫu thuật thay pin.

Không gian vũ trụ: Cung cấp năng lượng cho vệ tinh, tàu thăm dò, nơi việc thay pin là bất khả thi.

Giao thông: Pin có thể sử dụng trong drones, xe tự lái, giúp giảm nhu cầu sạc liên tục.

Công nghệ viễn thông: Hệ thống cảm biến từ xa trong môi trường khắc nghiệt như biển sâu, sa mạc, vùng cực.

Giáo sư In tin rằng pin hạt nhân sẽ không chỉ giới hạn trong các ứng dụng công nghiệp mà còn có thể được tích hợp vào các thiết bị tiêu dùng nhỏ gọn, như điện thoại di động hoặc smartwatch trong tương lai.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục cải tiến bằng cách tối ưu hóa hình dạng bộ phát tia beta và phát triển vật liệu hấp thụ năng lượng hiệu quả hơn. Nếu thành công, công nghệ này sẽ tạo nên một cuộc cách mạng năng lượng – nơi những thiết bị không còn cần đến ổ cắm hay pin sạc.