CSDL Ngành điện

Chế tạo siêu tụ điện từ nhựa

17/11/2025 16:40 Số lượt xem: 6

Siêu tụ điện dung lượng cao có thể hoạt động tốt hơn pin lithium-ion trong xe điện và các hệ thống năng lượng tái tạo.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học UCLA (Đại học bang California tại Los Angeles, Mỹ) đã tìm ra cách chế tạo điện cực siêu tụ điện từ vật liệu nhựa.

Xe điện và các ứng dụng năng lượng tái tạo hiện ngày càng sử dụng siêu tụ điện nhiều hơn, thu hẹp khoảng cách giữa tụ điện thông thường và pin sạc, mang lại những lợi thế độc đáo trong các ứng dụng đòi hỏi tích trữ và giải phóng năng lượng nhanh chóng. Trong EV, chúng có thể tăng cường bộ pin lithium-ion bằng cách cung cấp thêm năng lượng để tăng tốc nhanh. Chúng cũng có thể tích trữ năng lượng nhanh hơn so với pin lithium-ion.

Siêu tụ điện cũng có thể sử dụng trong các hệ thống tích trữ lưới điện để san bằng các dao động từ các nguồn tái tạo không liên tục như năng lượng gió và mặt trời và để ứng phó nhanh cho việc điều chỉnh tần số lưới điện. Chúng cung cấp một số lợi thế cho các ứng dụng này, bao gồm khả năng sạc/xả nhanh, tuổi thọ chu kỳ dài và mật độ công suất cao.

UCLA đã tạo ra các sợi nano PEDOT để chế tạo siêu tụ điện (Ảnh st)

Siêu tụ điện hoạt động như thế nào

Siêu tụ điện tích trữ năng lượng điện bằng cách tạo thành một lớp điện kép tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân. Hai điện cực của nó làm từ vật liệu xốp (thường là than hoạt tính) và một dung dịch điện phân nằm giữa các điện cực. Khi có điện áp, các ion trong chất điện phân di chuyển đến các điện cực tích điện trái dấu, các ion dương tích tụ ở điện cực âm và các ion âm tích tụ ở điện cực dương. Tại mỗi bề mặt tiếp xúc giữa điện cực và chất điện phân, một lớp điện kép cực mỏng hình thành, chỉ dày khoảng một phân tử. Thiết bị tích trữ năng lượng điện dưới dạng tĩnh điện trong các lớp điện kép này, thay vì tạo ra phản ứng hóa học như pin, nhờ đó đạt tốc độ sạc xả nhanh và tuổi thọ cao hơn đáng kể.

Các điện cực siêu tụ điện thương mại chủ yếu làm từ vật liệu gốc cacbon dạng bột, trong đó than hoạt tính (làm từ vỏ dừa) là loại phổ biến nhất. Gần đây hơn, chất thải nhựa polyethylene terephthalate (PET) từ chai nhựa đã được tái sử dụng làm điện cực của siêu tụ điện. Các nhà nghiên cứu chuyển đổi chất thải nhựa PET thành cacbon đen bằng quá trình nhiệt phân. Điện cực chế tạo từ vật liệu này cho thấy hiệu suất cao và tiềm năng ứng dụng đáng kể trong các thiết bị lưu trữ năng lượng.

Sử dụng nhựa dẫn điện

Thông thường, nhựa hoạt động như chất cách điện. Tuy nhiên, vào những năm 1970, các nhà khoa học phát hiện một số loại nhựa có khả năng dẫn điện. Bước đột phá năm 1977 trong lĩnh vực này đã mở đường cho Giải Nobel Hóa học năm 2000.

Vào cuối những năm 1980, các nhà khoa học của Tập đoàn Bayer AG (Đức) phát triển vật liệu PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene). Độ dẫn điện cao, độ trong suốt quang học cao, độ ổn định cao và tính linh hoạt cao đã giúp nó trở thành một trong những loại polyme dẫn điện thành công và linh hoạt nhất. Các ứng dụng bao gồm lớp các phủ chống tĩnh điện dùng cho phim ảnh và linh kiện điện tử, điện cực trong suốt dùng cho màn hình cảm ứng, điốt phát sáng hữu cơ, pin mặt trời hữu cơ mềm dẻo và các cảm biến sinh học và thiết bị cảm biến ứng suất cho thiết bị điện tử đeo được.

Mặc dù PEDOT được xem là điện cực tiềm năng dùng cho siêu tụ điện, nhưng độ dẫn điện kém và diện tích bề mặt tương đối thấp khiến chúng không thể giữ được lượng lớn năng lượng điện.

Nghiên cứu PEDOT của UCLA

Các nhà nghiên cứu tại Đại học UCLA đã sử dụng PEDOT làm điểm khởi đầu nhưng sau đó họ đã tạo ra một vật liệu mới bằng phương pháp lắng đọng hơi để tạo ra các sợi nano PEDOT theo chiều dọc trên một tấm than chì pha tạp các hạt nano graphene .

EDOT phản ứng với oxit graphene và sắt clorua để tạo thành sợi nano PEDOT (Ảnh st)

Kết quả là một cấu trúc giống như lông thú với diện tích bề mặt cao hơn đáng kể (cao hơn tới bốn lần) khi so sánh với các tấm PEDOT phẳng. Cấu trúc sợi nano sau đó kết hợp làm điện cực của siêu tụ điện, tạo ra một thiết bị có khả năng tích trữ điện tích và độ ổn định chu kỳ tuyệt vời (đạt gần 100.000 chu kỳ).

Độ dẫn điện của vật liệu này cao hơn 100 lần so với các sản phẩm PEDOT thông thường. Siêu tụ điện này có khả năng tích trữ điện tích cao hơn gần mười lần so với siêu tụ điện làm bằng PEDOT thông thường.

Những ưu điểm này khiến điện cực làm từ nhựa trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn để phát triển các siêu tụ điện bền vững, tính năng cao cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm xe điện, thiết bị điện tử cầm tay và các hệ thống tích trữ năng lượng xanh.