Siêu tụ điện có thể sạc siêu tốc

TS Hong Liang, GS Oscar S. Wyatt Jr. tại Khoa Cơ khí J. Mike Walker '66 cho biết, việc tích hợp vật liệu sinh học vào các thiết bị lưu trữ năng lượng có độ phức tạp cao vì rất khó kiểm soát các đặc tính điện tạo ra, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến vòng đời và hiệu suất của thiết bị. Ngoài ra, quy trình sản xuất vật liệu sinh học thường là những phương pháp xử lý hóa học độc hại và nguy hiểm.

Các thiết bị lưu trữ năng lượng thường ở dạng pin hoặc siêu tụ điện. Dù cả hai loại thiết bị đều có thể cung cấp dòng điện khi có nhu cầu, nhưng giữa hai loại có một số khác biệt cơ bản. Pin có thể lưu trữ dung lượng lớn điện tích trên một đơn vị thể tích, nhưng siêu tụ điện có thể tạo ra  hiệu quả hơn nhiều trong việc tạo ra một dòng điện lớn trong thời gian rất ngắn. Cường độ dòng điện lớn giúp siêu tụ điện nhanh chóng sạc đầy các thiết bị, trong khi pin điện, để sạc đầy cần có nhiều thời gian hơn.

Về cơ bản, siêu tụ điện có cấu trúc bên trong phù hợp với các tụ điện cơ bản khác. Cả hai loại thiết bị này đều lưu trữ điện tích trên các tấm kim loại hoặc điện cực. Nhưng không giống như các tụ điện cơ bản, siêu tụ điện có thể được chế tạo với nhiều kích cỡ, hình dạng và cấu trúc thiết kế khác nhau, phụ thuộc vào mục đích ứng dụng.

Những điện cực của siêu tụ điện có thể được chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau. Trong nghiên cứu của mình, Liang và nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu hạt nano mangan dioxide để thiết kế một trong hai điện cực siêu tụ điện.

Theo TS Liang, mangan dioxide rẻ, có sẵn trên thị trường và an toàn hơn so với những oxit kim loại chuyển tiếp khác như ruthenium hoặc oxit kẽm, được sử dụng phổ biến để chế tạo điện cực. Nhưng nhược điểm lớn của mangan dioxide là có độ dẫn điện kém hơn các loại vật liệu thông thường hiện nay.

Những nghiên cứu trước đây cho thấy lignin, một loại polymer tự nhiên dùng để dán các sợi gỗ, khi trộn với các oxit kim loại sẽ làm tăng cường những tính chất điện hóa của điện cực.

Để tạo ra điện cực, nhóm nghiên cứu đã xử lý lignin tinh khiết với một chất khử trùng thông thường là thuốc tím. Sau đó, sử dụng nhiệt độ và áp suất cao thúc đẩy phản ứng oxy hóa, phá vỡ kali pemanganat  trong thuốc tím và lắng đọng mangan đioxit lên lignin.

Các nhà khoa học tiến hành phủ hỗn hợp lignin và mangan dioxide lên một tấm nhôm, tạo thành điện cực thân thiện môi trường. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu lắp ráp một siêu tụ điện bằng cách kẹp một chất điện phân gel electrolyte giữa điện cực lignin-mangan dioxide-nhôm và điện cực khác làm từ nhôm và than hoạt tính.

Nguyên mẫu siêu tụ điện thân thiện môi trường do nhóm các nhà khoa học của TS Hong Liang chế tạo. Ảnh:TS Hong Liang

Khi thử nghiệm điện cực sạch mới được thiết kế, các nhà khoa học nhận thấy, siêu tụ điện có những đặc tính điện hóa rất ổn định. Đặc biệt, điện dung tụ điện, hoặc khả năng lưu trữ điện tích của thiết bị, thay đổi rất ít sau hàng nghìn chu kỳ sạc và xả. Ngoài ra, khi phân bổ tỷ lệ lignin-mangan dioxide tối ưu, điện dung cụ thể lớn hơn tới 900 lần so với những siêu tụ điện có kích thước tương đương khác.

TS Liang nhấn mạnh, những siêu tụ điện này rất nhẹ và linh hoạt. Những tính chất đặc trưng này tăng cường khả năng sử dụng siêu tụ điện thân thiện môi trường lưu trữ năng lượng trong xe cộ.