Hiểu cách các ion di chuyển vào và ra khỏi các lỗ nhỏ nhất hứa hẹn các thiết bị lưu trữ năng lượng tốt hơn
Tín dụng: Unsplash/CC0 Miền công cộng
Cuộc sống hiện đại phụ thuộc vào điện và các thiết bị điện, từ ô tô, xe buýt đến điện thoại và máy tính xách tay, cho đến hệ thống điện trong nhà. Đằng sau nhiều thiết bị này là một loại thiết bị lưu trữ năng lượng, siêu tụ điện. Nhóm kỹ sư của tôi đang nỗ lực làm cho những siêu tụ điện này lưu trữ năng lượng tốt hơn nữa bằng cách nghiên cứu cách chúng lưu trữ năng lượng ở cấp độ nano.
Siêu tụ điện, giống như pin, là thiết bị lưu trữ năng lượng. Chúng sạc nhanh hơn pin, thường trong vài giây đến một phút nhưng thường lưu trữ ít năng lượng hơn. Chúng được sử dụng trong các thiết bị yêu cầu lưu trữ hoặc cung cấp năng lượng bùng nổ trong một khoảng thời gian ngắn. Trong ô tô và trong thang máy, chúng có thể giúp phục hồi năng lượng trong quá trình phanh để giảm tốc độ. Chúng giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng luôn biến động trong máy tính xách tay và máy ảnh, đồng thời ổn định tải năng lượng trong lưới điện.
Pin hoạt động thông qua các phản ứng trong đó các loại hóa chất cho hoặc nhận electron. Ngược lại, siêu tụ điện không dựa vào phản ứng và giống như một miếng bọt biển tích điện. Khi bạn nhúng miếng bọt biển vào nước, nó sẽ ngấm nước vì miếng bọt biển xốp - nó chứa các lỗ rỗng để nước có thể hấp thụ.Các siêu tụ điện tốt nhất tiêu thụ nhiều điện tích nhất trên một đơn vị thể tích, nghĩa là chúng có khả năng lưu trữ năng lượng cao mà không chiếm quá nhiều không gian.
Trong nghiên cứu được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia vào tháng 5 năm 2024, học trò của tôi Filipe Henrique, cộng tác viên Pawel Zuk và tôi mô tả cách các ion di chuyển trong mạng lưới các lỗ nano hoặc các lỗ nhỏ chỉ rộng nano mét. Nghiên cứu này một ngày nào đó có thể cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng của siêu tụ điện.
Tất cả về lỗ chân lông
Các nhà khoa học có thể tăng điện dung hoặc khả năng lưu trữ điện tích của vật liệu bằng cách làm cho bề mặt của nó xốp ở cấp độ nano. Vật liệu xốp nano có thể có diện tích bề mặt cao tới 20.000 mét vuông (215.278 feet vuông)—tương đương với khoảng bốn sân bóng đá—với trọng lượng chỉ 10 gram (một phần ba ounce).
Trong 20 năm qua, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cách kiểm soát cấu trúc xốp này và dòng ion, là những hạt tích điện nhỏ, xuyên qua vật liệu. Hiểu được dòng ion có thể giúp các nhà nghiên cứu kiểm soát tốc độ sạc và giải phóng năng lượng của siêu tụ điện.
Nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết chính xác các ion di chuyển vào và ra khỏi vật liệu xốp như thế nào.
Mỗi lỗ trong một tấm vật liệu xốp là một lỗ nhỏ chứa cả ion dương và âm. Việc mở lỗ chân lông kết nối với một kho chứa các ion dương và âm. Những ion này đến từ chất điện phân, chất lỏng dẫn điện.
Ví dụ, nếu bạn cho muối vào nước, mỗi phân tử muối sẽ tách thành ion natri tích điện dương và ion clorua tích điện âm.
Khi bề mặt lỗ rỗng được tích điện, các ion sẽ chảy từ bể chứa vào lỗ rỗng hoặc ngược lại. Nếu bề mặt tích điện dương, các ion âm sẽ chảy vào lỗ từ nguồn chứa và các ion tích điện dương sẽ rời khỏi lỗ khi chúng bị đẩy đi. Dòng chảy này tạo thành các tụ điện, giữ điện tích tại chỗ và lưu trữ năng lượng. Khi điện tích bề mặt được thải ra, các ion sẽ chảy theo hướng ngược lại và năng lượng được giải phóng.
Bây giờ, hãy tưởng tượng một lỗ chân lông chia thành hai lỗ chân lông phân nhánh khác nhau. Làm thế nào các ion chảy từ lỗ chính đến các nhánh này?
Hãy coi các ion như ô tô và lỗ chân lông như đường. Luồng giao thông trên một con đường rất đơn giản. Nhưng tại ngã tư cần có luật lệ để tránh tai nạn hoặc ùn tắc giao thông nên chúng ta có đèn giao thông và bùng binh. Tuy nhiên, các nhà khoa học không hoàn toàn hiểu được các quy luật mà các ion chảy qua một điểm nối tuân theo. Việc tìm ra những quy luật này có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu được siêu tụ điện sẽ sạc như thế nào.
Sửa đổi một định luật vật lý
Các kỹ sư thường sử dụng một bộ định luật vật lý gọi là “định luật Kirchoff” để xác định sự phân bố dòng điện qua một điểm nối. Tuy nhiên, định luật mạch Kirchhoff được rút ra từ sự vận chuyển điện tử chứ không phải vận chuyển ion.
Các electron chỉ chuyển động khi có điện trường, còn các ion có thể chuyển động mà không cần điện trường nhờ sự khuếch tán. Tương tự như vậy, một nhúm muối hòa tan từ từ trong cốc nước, các ion di chuyển từ vùng tập trung hơn đến vùng ít tập trung hơn.
Định luật Kirchhoff giống như những nguyên tắc tính toán cho các điểm nối mạch. Định luật thứ nhất nói rằng dòng điện đi vào điểm nối phải bằng dòng điện đi ra khỏi điểm nối đó. Định luật thứ hai nêu rõ rằng điện áp, áp suất đẩy các electron đi qua dòng điện, không thể thay đổi đột ngột qua một điểm nối. Nếu không, nó sẽ tạo ra dòng điện bổ sung và phá vỡ sự cân bằng.
Định luật Kirchoff chi phối dòng điện trong các điểm nối mạch.
Vì các ion cũng di chuyển bằng sự khuếch tán chứ không chỉ bằng cách sử dụng điện trường nên nhóm của tôi đã sửa đổi định luật Kirchhoff để phù hợp với dòng ion. Chúng tôi thay thế điện áp, V, bằng một volt điện hóa
kết hợp điện áp và khuếch tán. Việc sửa đổi này cho phép chúng tôi phân tích mạng lưới lỗ chân lông, điều mà trước đây là không thể.
Chúng tôi đã sử dụng định luật Kirchoff đã sửa đổi để mô phỏng và dự đoán cách các ion di chuyển qua một mạng lưới lỗ nano lớn.
Con đường phía trước
Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng việc phân chia dòng điện từ lỗ thành các điểm nối có thể làm chậm tốc độ di chuyển của các ion tích điện vào vật liệu. Nhưng điều đó còn phụ thuộc vào việc chia tách ở đâu. Và cách các lỗ này được sắp xếp trên khắp các vật liệu cũng ảnh hưởng đến tốc độ sạc.
Nghiên cứu này mở ra những cánh cửa mới để hiểu biết về vật liệu trong siêu tụ điện và phát triển những vật liệu tốt hơn.
Ví dụ: mô hình của chúng tôi có thể giúp các nhà khoa học mô phỏng các mạng lưới lỗ chân lông khác nhau để xem mạng lưới nào phù hợp nhất với dữ liệu thử nghiệm của họ và tối ưu hóa vật liệu họ sử dụng trong siêu tụ điện.
Trong khi công việc của chúng tôi tập trung vào các mạng đơn giản, các nhà nghiên cứu có thể áp dụng phương pháp này cho các mạng lớn hơn và phức tạp hơn nhiều để hiểu rõ hơn cấu trúc xốp của vật liệu ảnh hưởng đến hiệu suất của nó như thế nào.
Trong tương lai, siêu tụ điện có thể được chế tạo từ vật liệu có thể phân hủy sinh học, cung cấp năng lượng cho các thiết bị đeo linh hoạt và có thể tùy chỉnh được thông qua tính năng in 3D. Hiểu được dòng ion là một bước quan trọng hướng tới cải tiến siêu tụ điện cho các thiết bị điện tử nhanh hơn.
