Các nhà khoa học phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo cho phép công suất và dung lượng cao đồng thời
của Hội đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ quốc gia
(Bên trái) Minh họa sơ đồ của hợp chất CNT và PANI. Nó cho thấy PANI liên kết cộng hóa trị được phân bổ đều giữa các CNT và mỗi PANI có thể hoạt động như một ô nano.(Bên phải) Sợi tổng hợp được chế tạo dựa trên các đặc điểm này cho thấy mật độ công suất và năng lượng tuyệt vời đồng thời, vượt trội hơn các đặc điểm của siêu tụ điện thông thường. (*KIST1 là giá trị được tính theo trọng lượng của riêng PANI và KIST2 là giá trị được tính theo trọng lượng của sợi.). Nguồn: Viện khoa học và công nghệ Hàn Quốc (KIST)
Một nhóm nghiên cứu đã phát triển một siêu tụ điện hiệu suất cao được kỳ vọng sẽ trở thành thế hệ thiết bị lưu trữ năng lượng tiếp theo. Với thông tin chi tiết được công bố trên tạp chí Composites Phần B: Kỹ thuật, công nghệ do các nhà nghiên cứu phát triển đã khắc phục được những hạn chế của siêu tụ điện hiện có bằng cách sử dụng cấu trúc sợi cải tiến bao gồm các ống nano carbon (CNT) thành đơn và polyaniline polyme dẫn điện (PANI).
So với pin thông thường, siêu tụ điện sạc nhanh hơn và mật độ công suất cao hơn, ít bị suy giảm hơn sau hàng chục nghìn chu kỳ sạc và xả. Tuy nhiên, mật độ năng lượng tương đối thấp của chúng hạn chế việc sử dụng trong thời gian dài, điều này đã hạn chế việc sử dụng chúng trong các ứng dụng thực tế như xe điện và máy bay không người lái.
Các nhà nghiên cứu do Tiến sĩ Bon-Cheol Ku và Tiến sĩ Seo Gyun Kim thuộc Trung tâm nghiên cứu vật liệu composite carbon tại Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) và Giáo sư Yuanzhe Piao thuộc Đại học Quốc gia Seoul (SNU) dẫn đầu, các ống nano carbon (CNT) thành đơn liên kết hóa học đồng đều, có độ dẫn điện cao, với polyaniline (PANI), có thể gia công và không tốn kém, ở cấp độ nano.
Điều này tạo ra một cấu trúc sợi tinh vi đồng thời tăng cường dòng electron và ion, tạo ra một siêu tụ điện có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong khi giải phóng năng lượng nhanh hơn.
Siêu tụ điện được phát triển đã được chứng minh là duy trì hiệu suất ổn định ngay cả sau hơn 100.000 lần thử nghiệm sạc và xả và bền bỉ ngay cả trong môi trường điện áp cao. Nhờ những đặc điểm này, công nghệ này có thể được sử dụng để thay thế hoặc bổ sung cho các hệ thống pin hiện có. Ví dụ, trong xe điện, nó có thể cung cấp năng lượng hiệu quả với khả năng sạc nhanh để cải thiện cả phạm vi hoạt động và hiệu suất.
Các ứng dụng khác, chẳng hạn như máy bay không người lái và rô bốt, có thể được hưởng lợi từ thời gian hoạt động tăng lên và độ tin cậy cao hơn. Ngoài ra, sợi tổng hợp được phát triển (CNT-PANI) có độ linh hoạt cơ học cao, do đó có thể cuộn và gấp, cho phép ứng dụng vào các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo như thiết bị đeo được.
Sơ đồ quy trình tổng thể mà PANI sản xuất sợi tổng hợp: (từ trái sang phải) tạo thành pha tinh thể lỏng dựa trên ống nano carbon, quay nó vào bồn đông tụ, đông đặc và kéo dài nó. Sợi thu được cuối cùng có cấu trúc phân bố PANI đều. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST)
Để thấy được tiềm năng thương mại hóa của tụ điện sợi tổng hợp, một quy trình sản xuất hàng loạt đã được giới thiệu. Các bó sợi từ sợi một sợi đến sợi 300 sợi đã được sản xuất thông qua quy trình sản xuất hàng loạt và có thể thấy rằng điện dung riêng được duy trì tốt mà không giảm vì PANI hoạt động như một nanocell bên trong. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST)
Một thành tựu lớn khác của nghiên cứu là giảm chi phí sản xuất và khả năng sản xuất hàng loạt.
Mặc dù có những đặc tính tuyệt vời, ống nano carbon thành đơn (CNT) vẫn khó thương mại hóa do chi phí sản xuất cao, nhưng các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp chúng với polyaniline polyme dẫn điện giá rẻ (PANI).
Hơn nữa, họ đã đặt nền tảng cho sản xuất hàng loạt thông qua một quy trình đơn giản và gần đây đã thành công trong việc phát triển các cấu trúc dạng màng dựa trên công nghệ này, thúc đẩy hơn nữa quá trình thương mại hóa. Trong tương lai, nó sẽ được sử dụng như một công nghệ hỗ trợ quan trọng cho quá trình chuyển đổi sang xã hội trung hòa carbon trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như xe điện, rô-bốt, máy bay không người lái và thiết bị đeo được.
"Công nghệ này khắc phục được những nhược điểm của siêu tụ điện bằng cách sử dụng ống nano carbon một lớp và polyme dẫn điện", Tiến sĩ Bon-Cheol Ku của KIST cho biết.
"Chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển và công nghiệp hóa sợi carbon hiệu suất cực cao dựa trên ống nano carbon".
Thông tin thêm: Dongju Lee và cộng sự, Sợi composite ống nano carbon có cấu trúc nanocell cho siêu tụ điện mật độ năng lượng và công suất cực cao, Composite Phần B: Kỹ thuật (2025). DOI: 10.1016/j.compositesb.2025.112179
Cung cấp bởi Hội đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ quốc gia
