Phát triển siêu tụ điện mật độ năng lượng cao

Siêu tụ điện không giống như pin, có tính năng tuyệt vời là nhanh chóng lưu trữ một lượng lớn năng lượng và phóng điện rất nhanh.

Theo lý thuyết, siêu tụ điện có thể tích trữ năng lượng phát ra từ một đoàn tàu bị phanh hãm lại và nhanh chóng cung cấp lại năng lượng, cho phép đoàn tàu chuyển động khỏi vị trí dừng.

Một vấn đề tồn đọng với các siêu tụ hiện nay là mật độ năng lượng thấp. Pin lithium đạt mật độ năng lượng lên tới 265 kW/h, siêu tụ điện cho đến nay mới chỉ đạt được 1/10 số đó. Để ứng dụng hiệu quả trong các phương tiện điện tử tương lai, cần có các siêu tụ điện hiệu suất cao.

Một nhóm nghiên cứu do GS Roland Fischer từ Đại học Kỹ thuật Munich đứng đầu đang phát triển loại vật liệu mới, mạnh mẽ, có thể được sử dụng cho điện cực dương trong siêu tụ điện. Siêu tụ điện này có thể cung cấp mật độ năng lượng lên đến 16kW kg − 1 và mật độ năng lượng lên đến 73Wh kg − 1, có thể so sánh với một số thiết bị thương mại như pin axit chì và pin niken hydrua kim loại Ni/MH. Trong mức tải trung bình, thiết bị vẫn giữ được 88% điện dung ban đầu sau 10.000 chu kỳ sạc xả.

Các nhà nghiên cứu kết hợp điện cực dương mới này với một điện cực âm được chứng minh thực tế, chế tạo từ titan và carbon, tạo thành một siêu tụ điện mới có mật độ năng lượng vượt trội hàng chục lần so với các siêu tụ điện hiện nay.

Trong công trình nghiên cứu, nhóm nhà khoa học sử dụng những vật liệu lai ghép nano tạo cho điện cực những đặc tính tối ưu. Từ những vật chất tự nhiên, các nhà khoa học đã cho axit graphene liên kết hóa học với các khung phân tử hữu cơ (MOF). Cấu trúc này khiến vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn (diện tích bề mặt tiếp xúc trên một đơn vị khối lượng của vật liệu), kích thước lỗ xốp có thể kiểm soát và có độ dẫn điện cao.

Sự kết hợp giữa MOFs vi xốp với axit graphene dẫn điện tạo ra điện cực dương có mật độ năng lượng cao.

Bề mặt tiếp xúc lớn rất quan trọng đối với siêu tụ điện mật độ năng lượng cao. Lợi thế này cho phép thu thập một số lượng lớn các hạt tích điện trong vật liệu - đây là nguyên tắc cơ bản để lưu trữ năng lượng điện.

Vật liệu mới có bề mặt tiếp xúc riêng bên trong khổng lồ, lên đến 900m2/g. Nhưng đó vẫn chưa phải là ưu điểm duy nhất của vật liệu mới. Để đạt được một vật liệu lai ghép ổn định về hóa học, cần những liên kết hóa học bền vững giữa các thành phần.

Nhóm khoa học đã sao chép lại một mẫu lai ghép trong tự nhiên khi lập kế hoạch thực hiện các liên kết hóa học, giáo sư Fischer nói “Trong thí nghiệm, chúng tôi kết nối axit graphene với một axit amin MOF, hình thành liên kết peptit”.

Kết nối ổn định giữa những thành phần vật chất có cấu trúc nano có lợi thế rất lớn về tính ổn định lâu dài: Các liên kết hóa học càng ổn định, càng tăng thêm nhiều chu kỳ sạc và xả mà không làm suy giảm đáng kể hiệu suất.

GS Fischer nhấn mạnh: “Nhóm nghiên cứu của chúng tôi kết nối với các chuyên gia nghiên cứu về pin và điện hóa ở Barcelona, các chuyên gia về graphene từ Cộng hòa Séc. Ngoài ra, chúng tôi có các đối tác, được tích hợp từ Mỹ và Úc. Sự hợp tác quốc tế tuyệt vời này hứa hẹn nhiều thành tựu trong tương lai”.