Khoa học tự nhiên

Ánh sáng ở siêu tụ điện nhỏ (25/12/2015)

Các nhà nghiên cứu Đại học Rice, những người tiên phong trong việc phát triển graphene laser khai thác khám phá của họ để chế tạo các siêu tụ điện nhỏ (microsupercapacitor) linh hoạt ở trạng thái rắn trở thành triển vọng tốt nhất cho lưu trữ và cung cấp năng lượng. Các thiết bị này được phát triển trong phòng thí nghiệm của các nhà hóa học James Tour của Đại học Rice đang hướng tới các máy móc và thiết bị điện tử.

Các nhà khoa học ở Đại học Rice đang chế tạo các siêu tụ điện nhỏ, linh hoạt trong một quy trình nhiệt độ thường mở ra triển vọng sản xuất với số lượng lớn. Kỹ thuật này được dựa trên phương pháp của họ đưa các mẫu graphene xốp lên các tấm nhựa bằng laser thương mại. Ảnh: Courtesy of the Tour Group

Graphene laser mở ra khả năng lưu trữ điện đơn giản với công suất lớn. Microsupercapacitors không phải là pin, nhưng rất gần được như thế khi công nghệ được cải thiện. Tụ điện truyền thống tích trữ năng lượng và giải phóng nó một cách nhanh chóng (như đèn flash máy ảnh), không giống như pin lithium-ion thông thường phải mất một thời gian dài để sạc và giải phóng năng lượng của chúng khi cần thiết.

Microsupercapacitors này sạc nhanh gấp 50 lần so với pin, xả điện chậm hơn so với các tụ điện truyền thống và phù hợp với các siêu tụ điện thương mại ở cả lượng năng lượng được tích trữ và năng lượng cung cấp.

Các thiết bị này được sản xuất bằng cách đốt các mẫu điện cực với một laser thương mại lên các tấm nhựa trong không khí ở nhiệt độ thường, không cần các điều kiện chế tạo phức tạp làm hạn chế việc áp dụng rộng rãi các microsupercapacitors. Các nhà nghiên cứu cho thấy một quy trình sản xuất con lăn (roll-to-roll) hiệu quả về chi phí.

"Chế tạo microsupercapacitors hiện nay đòi hỏi rất nhiều bước in litho. Nhưng với những microsupercapacitors mới này, chúng tôi có thể thực hiện trong vài phút: Chúng tôi ghi mẫu, đưa vào chất điện phân và bọc chúng lại", GS Tour cho biết.

Điện dung của các tụ này là 934 microfarads trên mỗi centimet vuông và mật độ năng lượng là 3,2 miliwatt trên một centimet khối, ngang ngửa với pin màng mỏng litium thương mại, với mật độ công suất cao hơn hai bậc so với pin, các nhà nghiên cứu tuyên bố. Các thiết bị còn có tuổi thọ lâu dài và ổn định cơ học khi có thể chịu bẻ cong liên tục 10.000 lần.

Mật độ năng lượng cao là do bản chất của graphene laser (laser-induced graphene (LIG)). Tour và nhóm của ông năm ngoái đã phát hiện thấy rằng nung nóng một tấm nhựa polyimide thương mại bằng một laser đã đốt cháy tất cả mọi thứ ngoài carbon ở lớp trên cùng, để lại một dạng graphene. Nhưng thay vì một tấm các vòng nguyên tử hình lục giác phẳng 2 chiều, laser để lại một mảng xốp graphene trên polyimide, với diện tích bề mặt cao.

Các nhà nghiên cứu xử lý các mẫu LIG của họ bằng dioxide mangan, oxyhydroxide sắt hoặc polyaniline thông kỹ thuật lắng đọng điện sau đó đưa hỗn hợp thu được vào các điện cực dương và âm. Các vật liệu tổng hợp sau đó có thể được tạo thành microsupercapacitors trạng thái rắn không cần bộ gom điện, chất kết dính hoặc màng ngăn.

Tour tin tưởng sẽ đến ngày các siêu tụ điện hoàn toàn thay thế pin, khi đó các hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ được sạc chỉ trong vài phút thay vì hàng giờ. "Trong thời gian trước mắt, chúng có thể bổ sung cho các pin với công suất cao. Hiện nay chúng đã hoạt động tốt như một số siêu tụ điện thương mại, và chúng chỉ đuwọc làm bằng nhựa".

Nguồn: vista.vn (Theo Advanced Materials, 3/12/2015)