Việc lưu trữ hiệu quả năng lượng sạch là một thành phần quan trọng để đạt được mức độ trung hòa carbon. Tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng bằng cách tách điện tích dương và điện tích âm, còn siêu tụ điện (SC) là tụ điện có thể lưu trữ và giải phóng một lượng lớn năng lượng. Một siêu tụ điện chuyên dụng, được gọi là SC tăng cường chất điện phân oxy hóa khử (RE-SC), đặt các chất điện phân oxy hóa khử dạng lỏng, một nguồn ion có thể tích điện, bên cạnh một dây dẫn điện hoặc điện cực dựa trên carbon để đạt được mật độ lưu trữ năng lượng cao và công suất đầu ra.
Các chất điện phân lỏng, hữu cơ và ion có thể được sử dụng làm chất trung gian phản ứng oxi hóa khử trong RE-SC, góp phần nâng cao mật độ năng lượng và mật độ năng lượng so với các siêu tụ điện (SC) truyền thống. Một số chiến lược đang được nghiên cứu để khắc phục tình trạng tự phóng điện của RE-SC, bao gồm tối ưu hóa thiết bị, sửa đổi dải phân cách, điều chế chất điện phân và thiết kế điện cực. Nhà cung cấp: Vật liệu và thiết bị năng lượng (2023). DOI: 10.26599/EMD.2023.9370009. Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Bất chấp sự gia tăng hiệu suất này, RE-SC vẫn gặp phải tình trạng tự xả năng lượng dự trữ, hạn chế tính thực tế của chúng. Nghiên cứu đang được tiến hành để phát triển các chiến lược ngăn chặn hiện tượng tự phóng điện nhằm cải thiện hiệu suất của RE-SC và hiệu quả lưu trữ năng lượng sạch.
Các công nghệ lưu trữ năng lượng hiện tại phải chịu nhiều sự đánh đổi: ví dụ: pin mật độ năng lượng cao không đạt được công suất đầu ra đủ cao để đáp ứng nhu cầu và SC cung cấp đủ năng lượng để đáp ứng nhu cầu nhưng lại có mật độ năng lượng thấp. Tương tự như vậy, RE-SC cải thiện mật độ năng lượng so với SC truyền thống nhưng có khả năng tự phóng điện nhanh chóng.
Bất chấp những nhược điểm liên quan đến khả năng tự phóng điện, RE-SC có nhiều ưu điểm, bao gồm chuẩn bị điện cực và chất điện phân oxi hóa khử dễ dàng, mở rộng quy mô và lắp ráp, tuổi thọ cao và tùy chỉnh hiệu suất đơn giản. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu những cách mới để khắc phục tình trạng tự phóng điện trong RE-SC, bao gồm sửa đổi thiết bị phân tách, điều chế chất điện phân, thiết kế điện cực và tối ưu hóa tổng thể thiết bị.
Một nhóm các nhà khoa học vật liệu từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Bắc Trung Quốc ở Thái Nguyên và Đại học Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh đã công bố một bài đánh giá về hiện trạng nghiên cứu RE-SC và những thách thức của lĩnh vực này phải khắc phục trong Vật liệu và thiết bị năng lượng.
"SC tích điện trải qua quá trình sụt giảm điện áp tự phát khi mạch hở, tương tự như gót chân Achilles, hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi của tụ điện. Sự mất mát năng lượng phụ thuộc vào tốc độ tự phóng điện, tốc độ này thay đổi đối với các loại chất điện phân có hoạt tính oxi hóa khử khác nhau được sử dụng trong thiết bị. Để giảm thiểu đáng kể tác hại của việc tự xả, cần phải hiểu rõ cơ chế tự xả…. Rò rỉ Ohmic, phản ứng Faraday và phân phối lại điện tích được coi là ba cơ chế tự phóng điện được chấp nhận rộng rãi trong RE-SC," Xiaodong Tian, tác giả của bài đánh giá và nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm trọng điểm CAS về Vật liệu cacbon tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Trung tâm Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Quang điện tử tại Đại học Khoa học Trung Quốc, cho biết.
Cụ thể, sự phân phối lại điện tích đề cập đến sự chuyển động của điện tích xuống một gradient nồng độ, từ nồng độ cao hơn đến nồng độ thấp hơn, sau khi nguồn điện bên ngoài bị loại bỏ. Khía cạnh tự phóng điện này dẫn đến điện áp thấp hơn và mức lưu trữ năng lượng thấp hơn trong RE-SC. Điều quan trọng là việc tối ưu hóa sự phân bố kích thước lỗ chân lông (PSD) của điện cực có thể thay đổi sự khuếch tán của các ion trong RE-SC, cải thiện khả năng tự phóng điện do hiện tượng này.
"Ngược lại, rò rỉ Ohmic thường bắt nguồn từ hiện tượng đoản mạch bên trong hoặc phản ứng oxi hóa khử ký sinh gần bề mặt điện cực/chất điện phân. Phản ứng Faraday bắt nguồn từ các chất phản ứng, chẳng hạn như nhóm chức oxy trên bề mặt điện cực carbon, chất trung gian oxi hóa khử và oxy hòa tan trong chất điện phân, có thể nhận hoặc mất electron”. Thiên nói.
Để khắc phục những yếu tố này, các nhà khoa học vật liệu đang nghiên cứu một số chiến lược đầy hứa hẹn. Một chiến lược là sửa đổi dấu phân cách trong RE-SC. Trong SC, thiết bị phân tách cách điện hoặc che chắn điện cực âm khỏi điện cực dương và cung cấp các kênh đóng vai trò là khe hở cho các ion di chuyển qua lại để lưu trữ và phóng điện. Các nhà nghiên cứu lập luận rằng việc tối ưu hóa kích thước lỗ, độ chọn lọc ion và độ phân cực của thiết bị phân tách có thể mang lại một phương pháp hạn chế khả năng tự phóng điện của RE-SC. Ví dụ, màng trao đổi ion đã giảm khả năng tự phóng điện trong RE-SC nhưng hiện tại quá tốn kém để sử dụng rộng rãi.
Tối ưu hóa chất điện phân oxi hóa khử cũng có thể làm giảm khả năng tự phóng điện. Một số chất điện giải có thể hình thành các phức chất rắn thuận nghịch trong quá trình sạc và sạc lại, đạt được mật độ năng lượng, công suất đầu ra cao, tuổi thọ cao và tốc độ tự phóng điện chậm. Ngoài ra, chất lỏng ion có thể được thiết kế với động học oxi hóa khử nhanh hơn để cải thiện công suất đầu ra và tuổi thọ của chu trình so với các loại chất oxi hóa khử cố định.
Cấu trúc lỗ rỗng và độ phân cực bề mặt của điện cực RE-SC là một thành phần quan trọng khác để hạn chế hiện tượng tự phóng điện. Nghiên cứu trước đây được thực hiện về tối ưu hóa thiết bị phân tách và chất điện phân cho thấy rằng việc tăng cường tương tác giữa các ion và bề mặt điện cực sẽ hạn chế lượng tự phóng điện của toàn bộ hệ thống RE-SC. Ví dụ: các điện cực làm từ carbon có kích thước lỗ nhỏ hơn 1 nm (10-9 m) thể hiện khả năng tự phóng điện chậm hơn. Việc bổ sung lớp rào cản chức năng và thiết kế bất đối xứng sử dụng nhiều điện cực hoặc chất điện phân cũng có thể làm giảm khả năng tự phóng điện.
Nhóm nghiên cứu rất hào hứng với tiềm năng của RE-SC nhưng thừa nhận rằng phải vượt qua những trở ngại đáng kể trước khi RE-SC trở thành một phương tiện lưu trữ năng lượng thực tế. "So với các tụ điện hai lớp thông thường, nghiên cứu về hệ thống RE-SC vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Các cuộc điều tra mở rộng và kỹ lưỡng là cần thiết cho các ứng dụng của họ. Do đó, cần chú ý nhiều hơn đến việc giảm bớt lo ngại về tình trạng tự phóng điện nghiêm trọng ở RE-SC,”" Thiên nói.
