Đo ứng suất và biến dạng cơ học trong điện cực siêu tụ điện dựa trên graphene

Trừu tượng đồ họa. Tín dụng:  Vấn đề  (2023). DOI: 10.1016/j.matt.2023.08.017

Tiến sĩ Jodie Lutkenhaus, phó giáo sư kỹ thuật hóa học và hợp tác nội bộ, đã cộng tác với Tiến sĩ Dimitris Lagoudas, giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ và Tiến sĩ James Boyd, phó giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ trong một bài báo mới đăng trên  Matter .

Lutkenhaus cho biết: “Chúng tôi đã đo các ứng suất phát triển trong các điện cực siêu tụ điện dựa trên graphene và liên hệ các ứng suất đó với cách các ion di chuyển vào và ra khỏi vật liệu”. “Ví dụ, khi một tụ điện hoạt động, mỗi điện cực sẽ lưu trữ và giải phóng các ion có thể khiến nó phồng lên và co lại.”

Lutkenhaus cho biết chuyển động lặp đi lặp lại này có thể gây ra sự tích tụ các ứng suất cơ học, dẫn đến hỏng thiết bị. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu của cô mong muốn tạo ra một công cụ đo ứng suất và biến dạng cơ học trong vật liệu lưu trữ năng lượng khi chúng tích điện và phóng điện.

Thiết bị này cung cấp những hiểu biết sâu sắc về việc đo hành vi cơ học trong quá trình sạc và phóng điện của điện cực, điều này có thể khó quan sát trong thời gian thực.

Boyd cho biết: “Chúng tôi đang đi tiên phong trong các phương pháp thử nghiệm để đo phản ứng điện hóa và cơ học đồng thời của các điện cực”. “Nghiên cứu của chúng tôi hiện đang chuyển từ siêu tụ điện sang pin.”

Hư hỏng cơ học làm hạn chế vòng đời của pin, vì vậy cần có phần cứng và mô hình mới để diễn giải các phép đo thử nghiệm nhằm tách biệt các tác động của khuếch tán khối lượng, phản ứng, biến dạng không đàn hồi và hư hỏng cơ học.

Pin và tụ điện có thể bị hỏng do các tác động khác nhau của ứng suất cơ học bên trong và bên ngoài. Ứng suất bên trong xảy ra khi pin phát triển một chu kỳ lặp đi lặp lại của thiết bị, trong khi ứng suất bên ngoài có thể do va đập hoặc xuyên qua thiết bị.

Khi những căng thẳng này xảy ra, pin cần có khả năng chịu được hư hỏng. Lutkenhaus cho biết điều quan trọng là phải hiểu ứng suất cơ học phát triển như thế nào ở trạng thái điện hóa của thiết bị.

Lutkenhaus nói: “Chúng tôi đã phát triển một công cụ có thể làm được điều đó”. “Bằng cách đạt được hiểu biết sâu sắc quan trọng này, chúng tôi có thể thiết kế các thiết bị lưu trữ năng lượng an toàn hơn và có tuổi thọ lâu hơn”.

Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng có thể chịu tải trọng kết cấu và cuối cùng thay thế nhựa gia cố bằng sợi carbon hoạt động như các tấm cấu trúc trong máy bay, từ đó cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng.

Lagoudas cho biết: “Bài báo này là kết quả của sự hợp tác liên tục giữa các nhà khoa học kỹ thuật hóa học và kỹ thuật hàng không vũ trụ”. “Nghiên cứu này cung cấp sự hiểu biết độc đáo về cách sử dụng vật liệu nano cho các thiết bị lưu trữ năng lượng nhẹ và bền cho các ứng dụng hàng không vũ trụ.”