Một siêu tụ
điện có thể uốn cong mới được làm từ graphene, sạc nhanh và lưu an toàn một
lượng năng lượng cao kỷ lục để sử dụng trong khoảng thời gian dài (Ảnh: Tiến sĩ
Zhuangnan Li)
Khám phá mới đã giải quyết được
vấn đề mà các siêu tụ điện sạc nhanh công suất lớn phải đối mặt: chúng thường
không thể giữ được lượng năng lượng lớn trong một không gian nhỏ.
Đồng tác giả nghiên cứu Tiến sĩ
Zhuangnan Li cho biết: “Siêu tụ điện mới cực kỳ hứa hẹn cho công nghệ lưu trữ
năng lượng thế hệ tiếp theo nhằm thay thế cho công nghệ pin hiện tại hoặc sử
dụng song song để cung cấp cho người dùng nhiều năng lượng lớn hơn”.
“Chúng tôi đã thiết kế các vật
liệu mang lại cho siêu tụ điện mật độ điện cao – tốc độ nạp hoặc xả nhanh – và
mật độ năng lượng cao – xác định tụ điện có thể vận hành được trong bao lâu.
Thông thường, bạn chỉ có 1 trong 2 đặc điểm này nhưng siêu tụ điện của chúng tôi
cung cấp cả hai, đó là một đột phát tối quan trọng”.
“Hơn nữa, siêu tụ điện này cũng
có thể uốn cong 180 độ mà không ảnh hưởng đến hiệu năng và không sử dụng chất
điện phân lỏng, giúp giảm thiểu nguy cơ cháy nổ và khiến nó hoàn hảo để tích hợp
vào điện thoại hoặc thiết bị đeo uốn cong”.
Một nhóm các nhà hóa học, kỹ sư
và nhà vật lý học đã tiến hành nghiên cứu thiết kế mới, sử dụng vật liệu điện
cực graphene cải tiến với các lỗ nhỏ có thể thay đổi kích thước để lưu trữ
điện tích hiệu quả hơn. Việc điều chỉnh này tối đa hóa mật độ năng lượng của
siêu tụ đến mức kỷ lục 88,1 Wh/L, mật độ năng lượng cao nhất từng đạt được đối
với siêu tụ dựa trên carbon.
Công nghệ sạc nhanh thương mại
tương tự có mật độ năng lượng tương đối thấp từ 5 đến 8 Wh/L và ắc quy axit chì
truyền thống sạc chậm và thời gian sử dụng lâu dùng trong ô tô điện thường có
mật độ 50 đến 90 Wh/L.
Trong khi siêu tụ điện được nhóm
phát triển có mật độ năng lượng tương đương giá trị tốt nhất của ắc quy axit
chì thì mật độ điện của nó lại cao ấp 100 lần ở mức trên 10.000 W/L.
Tác giả chính của nghiên cứu Ivan
Parkin cho biết: “Lưu trữ thành công lượng năng lượng khổng lồ trong một hệ
thống nhỏ gọn là một bước tiến ý nghĩa hướng tới công nghệ lưu trữ năng lượng
cải tiến. Chúng tôi đã chứng minh rằng nó có thể sạc nhanh, chúng tôi có thể
kiểm soát đầu ra và nó có độ bền và độ dẻo tuyệt vời, khiến nó trở nên lý tưởng
để phát triển để sử dụng trong các thiết bị điện tử thu nhỏ và xe điện. Hãy
tưởng tượng chỉ cần 10 phút để nạp đầy một chiếc xe điện hay vài phút cho điện
thoại và nó có thể sử dụng trọn một ngày”.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo
điện cực từ nhiều lớp graphene tạo ra một vật liệu dày đặc nhưng xốp có khả
năng giữ lại các ion mang điện có kích thước khác nhau. Nó có các đặc điểm đó
nhờ sử dụng một loạt kỹ thuật và hoạt động tốt nhất khi kích thước lỗ tương
đương với đường kính của các ion trong chất điện phân.
Vật liệu được tối ưu hóa, có
dạng một màng mỏng, được sử dụng để chế tạo một thiết bị chứng minh ý tưởng có
mật độ điện và mật độ năng lượng cao.
Siêu tụ kích thước 6x6 cm này
được làm từ 2 điện cực giống hệt nhau được xếp lớp với mặt kia là một chất giống
gel đóng vai trò là môi trường hóa học để truyền điện tích. Thiết bị được sử
dụng để cấp diện cho hàng chục bóng LED và cho thấy rất bền bỉ, dẻo và ổn định.
Thậm chí khi bị uốn cong 180 độ,
nó vẫn đạt hiệu năng tương đương khi để phẳng và sau 5000 chu kỳ, siêu tụ vẫn
giữ lại được 97,8% dung lượng.
Đồng tác giả chính Feng Li cho
biết thêm: “Trong 30 năm tới, thế giới công nghệ thông minh sẽ tăng tốc, điều
sẽ làm thay đổi mạnh mẽ truyền thông, vận tải và cuộc sống hằng ngày của chúng
ta. Bằng cách tạo ra vật liệu lưu trữ năng lượng thông minh, các thiết bị sẽ
trở nên vô hình với chúng ta bằng cách hoạt động tự động và tương tác với các
phương tiện. Pin thông minh là một ví dụ lớn nhất của cách mà trải nghiệm người
dùng có thể được cải thiện và nó chỉ ra tiềm năng lớn lao với vai trò nguồn
cung cấp điện nhỏ gọn cho các ứng dụng tương lai”.
LH (TechXplore)