Một nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Bon-Cheol Ku và tiến sĩ Seo Gyun Kim thuộc Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Composite Carbon của Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST), phối hợp với giáo sư Yuanzhe Piao của Đại học Quốc gia Seoul (SNU), đã phát triển một siêu tụ điện hiệu suất cao được kỳ vọng sẽ trở thành công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo.
Đột phá này giải quyết những hạn chế chính của siêu tụ điện hiện tại nhờ sử dụng cấu trúc sợi tiên tiến từ ống nano carbon một lớp (CNTs) và polyme dẫn điện polyaniline (PANI).
Siêu tụ điện thông thường có khả năng sạc nhanh hơn và cung cấp lượng điện cao hơn so với pin truyền thống, đồng thời ít bị suy giảm hiệu suất sau hàng chục nghìn chu kỳ sạc. Tuy nhiên, hạn chế về hàm lượng năng lượng khiến chúng khó ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu vận hành lâu dài như xe điện hay drone.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tạo liên kết hóa học giữa CNTs – vốn nổi tiếng với độ dẫn điện cao – và PANI – một loại polyme dẫn điện có chi phí thấp và dễ xử lý. Bằng cách kết hợp hai vật liệu ở cấp độ nano, họ đã tạo ra một cấu trúc sợi phức hợp giúp cải thiện chuyển động của cả electron lẫn ion, tạo nên một siêu tụ điện có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn và giải phóng năng lượng nhanh hơn.
Loại siêu tụ mới này cho thấy hiệu suất ổn định qua hơn 100.000 chu kỳ sạc-xả, hoạt động tốt ngay cả trong môi trường điện áp cao. Nhờ độ bền và hiệu quả cao, công nghệ này có thể đóng vai trò thay thế hoặc tăng cường cho hệ thống pin hiện tại.
Trong xe điện, loại siêu tụ này có thể giúp sạc nhanh, tăng phạm vi di chuyển và cải thiện hiệu suất. Drone và robot cũng có thể hoạt động lâu hơn và ổn định hơn. Ngoài ra, sợi composite CNT-PANI có tính linh hoạt cao, có thể được cuộn hoặc gấp, phù hợp với thiết bị điện tử thế hệ mới như thiết bị đeo thông minh.
Sản xuất hàng loạt và giảm chi phí
Một thành tựu đáng chú ý khác của công trình nghiên cứu là giảm chi phí sản xuất và khả năng sản xuất quy mô lớn. Dù sở hữu nhiều tính năng vượt trội, CNTs từ lâu đã khó thương mại hóa do chi phí cao. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã khắc phục vấn đề này bằng cách kết hợp CNTs với PANI – loại polyme dẫn điện giá rẻ.
Họ cũng đã đơn giản hóa quy trình sản xuất và gần đây đã thành công trong việc phát triển cấu trúc dạng màng dựa trên công nghệ này, mở đường cho thương mại hóa trên quy mô lớn. Trong tương lai, công nghệ này sẽ là nền tảng quan trọng giúp các ngành công nghiệp như xe điện, robot, drone và thiết bị đeo chuyển dịch sang một xã hội trung hòa carbon.
“Công nghệ này vượt qua những hạn chế của siêu tụ điện thông thường nhờ sử dụng ống nano carbon một lớp và polyme dẫn điện,” tiến sĩ Bon-Cheol Ku cho biết. “Chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển và công nghiệp hóa các sợi carbon siêu hiệu suất dựa trên CNTs.”
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một siêu tụ điện thế hệ mới bằng cách thiết kế cấu trúc sợi nano độc đáo kết hợp giữa ống nano carbon và polyme dẫn điện, mở đường cho các hệ thống năng lượng nhanh hơn, bền hơn và linh hoạt hơn. Ảnh minh họa: SciTechDaily.com
