Vật liệu cách điện mới chuyển tải điện năng hiệu quả hơn

Sử dụng cáp HVDC mang lại nhiều lợi ích kinh tế kỹ thuật. Trong cáp cao thế dòng điện một chiều, điện có thể chạy theo cả hai hướng. Những dây cáp điện cao áp một chiều có thể được chôn và đặt dưới đáy biển, mở rộng mạng lưới điện và kết nối những khu vực khác nhau trên thế giới.

Để giảm tổn thất điện đến mức nhỏ nhất trong dây cáp, cần phải tăng điện áp truyền tải. Các loại cáp điện tiên tiến nhất hiện nay sử dụng vật liệu cách điện nhựa đùn trên cơ sở polyethylene. Nhược điểm vật liệu này nhạy cảm với nhiệt.

Ở nhiệt độ làm việc cao của cáp HVDC, trong khoảng 70 - 90ºC, vật liệu trở nên mềm. Nhược điểm này được giải quyết bằng cách tạo ra những liên kết chéo cộng hóa trị giữa các chuỗi polymer, nhưng trong quá trình sản xuất lại hình thành các sản phẩm phụ có hại cho môi trường, đồng thời làm suy giảm tính chất điện của vật liệu.

GS Christian Müller cùng nhóm nghiên cứu Trường Đại học Công nghệ Chalmers phát hiện được một phương pháp mới tạo ra loại vật liệu cách nhiệt tuyệt vời: Họ đã thêm một lượng rất nhỏ chất phụ gia là polymer liên hợp (3-hexylthiophene - P3HT) vào polyetylen, khiến độ dẫn điện của vật liệu cách điện được giảm đến mức kỷ lục.

Theo báo cáo khoa học này, chỉ thêm 0,0005% trọng lượng chất phụ gia polymer liên hợp P3HT, độ dẫn điện trong vật liệu cách điện một chiều giảm xuống hơn 3 lần so với polyetylen không có phụ gia, hiệu suất cao nhất được xác định cho bất kỳ chất phụ gia giảm độ dẫn điện nào đến nay. Phương thức tiếp cận được thiết lập là polymer liên hợp như một chất phụ gia đơn thuần.

Sơ đồ cáp HVDC. a) Cấu trúc cơ bản của cáp điện HVDC đùn bao gồm lõi dẫn điện (Al hoặc Cu), được bao quanh các lớp "chất bán dẫn" (cacbon composite đen), lớp cách điện ép đùn và các lớp bảo vệ bên ngoài (lớp bọc/vỏ bọc bên ngoài).

Poly (3-hexylthiophene) (P3HT) là một trong những polymer liên hợp được nghiên cứu rộng rãi nhất, có được sự quan tâm cho những ứng dụng từ điện tử linh hoạt đến quang điện và nhiệt điện. Polymer liên hợp P3HT được sử dụng làm chất bán dẫn hoặc chất dẫn, cạnh tranh trực tiếp với các loại vật liệu tiên tiến khác như perovskite kim loại hoặc silicon vô định hình trong quang điện, các dạng thù hình carbon hoặc kim loại trong sản xuất các thiết bị điện tử đeo được. 

Ứng dụng hấp dẫn khác là sử dụng polymer liên hợp kết hợp với polymer thương phẩm như polyetylen, polystyren hoặc poly (etylen oxit). Polymer thương phẩm không chỉ làm loãng polymer liên hợp, đắt tiền hơn mà còn tăng cường tính ổn định môi trường và tạo ra các đặc tính cơ học vượt trội. Trong một số trường hợp, chỉ cần một lượng tương đối nhỏ polymer liên hợp (2 - 20% trọng lượng) có thể đạt được cấp độ mong muốn về chức năng điện hoặc điện tử, sử dụng để chế tạo bóng bán dẫn hiệu ứng trường hữu cơ (FET) và pin mặt trời hoặc như vật liệu nhiệt điện.

Đây là lần đầu tiên một polymer liên hợp được sử dụng như một chất phụ gia đơn thuần cho một polymer khác, làm thay đổi tính chất của nó. Các nhà nghiên cứu tin rằng khám phá này sẽ mở ra những ứng dụng tiên tiến khác trong vật liệu điện.