Các nhà nghiên cứu tại Khoa Thiết bị và Vật lý Ứng dụng (IAP), Viện Khoa học Ấn Độ (IISc), đã thiết kế một siêu tụ điện siêu nhỏ mới, một thiết bị nhỏ có khả năng lưu trữ một lượng điện tích khổng lồ. Nó cũng nhỏ hơn và chắc chắn hơn nhiều so với các siêu tụ điện hiện có và có khả năng được sử dụng trong nhiều thiết bị từ đèn đường đến đồ điện tử tiêu dùng, ô tô điện và thiết bị y tế.
Hầu hết các thiết bị này hiện đang chạy bằng pin. Tuy nhiên, theo thời gian, những loại pin này mất khả năng tích điện và do đó có thời hạn sử dụng hạn chế. Mặt khác, tụ điện có thể lưu trữ điện tích lâu hơn nhờ thiết kế của chúng. Ví dụ, một tụ điện hoạt động ở 5 vôn sẽ tiếp tục hoạt động ở cùng một điện áp ngay cả sau một thập kỷ. Nhưng không giống như pin, chúng không thể xả năng lượng liên tục—ví dụ như để cấp nguồn cho điện thoại di động.
Mặt khác, siêu tụ điện kết hợp những gì tốt nhất của cả pin và tụ điện—chúng có thể lưu trữ cũng như giải phóng một lượng lớn năng lượng và do đó rất được ưa chuộng cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo.
Trong nghiên cứu hiện tại, được xuất bản trên ACS Energy Letters, các nhà nghiên cứu đã chế tạo siêu tụ điện của họ bằng cách sử dụng Bóng bán dẫn hiệu ứng trường hoặc FET làm bộ thu điện tích, thay vì các điện cực kim loại được sử dụng trong các tụ điện hiện có. Abha Misra, Giáo sư tại IAP và là tác giả tương ứng của nghiên cứu cho biết: “Sử dụng FET làm điện cực cho siêu tụ điện là một điều mới mẻ để điều chỉnh điện tích trong tụ điện.
Chế tạo thiết bị trong phòng sạch bởi Vinod Panwar. Ảnh: Pragya Sharma
Các tụ điện hiện tại thường sử dụng các điện cực dựa trên oxit kim loại, nhưng chúng bị hạn chế bởi độ linh động của điện tử kém. Do đó, Misra và nhóm của cô đã quyết định chế tạo các FET lai bao gồm các lớp molybdenum disulfide (MoS2) và graphene xen kẽ nhau—để tăng tính linh động của electron—sau đó được kết nối với các điểm tiếp xúc bằng vàng. Một chất điện phân gel rắn được sử dụng giữa hai điện cực FET để tạo ra một siêu tụ điện trạng thái rắn. Toàn bộ cấu trúc được xây dựng trên nền silicon dioxide/silicon.
"Thiết kế là phần quan trọng, bởi vì bạn đang tích hợp hai hệ thống," Misra nói. Hai hệ thống này là hai điện cực FET và chất điện phân dạng gel, một môi trường ion, có khả năng tích điện khác nhau. Vinod Panwar, Ph.D. sinh viên tại IAP và là một trong những tác giả chính, nói thêm rằng thật khó để chế tạo thiết bị để có được tất cả các đặc tính lý tưởng của bóng bán dẫn. Vì những siêu tụ điện này rất nhỏ nên không thể nhìn thấy chúng nếu không có kính hiển vi và quy trình chế tạo đòi hỏi độ chính xác cao và sự phối hợp giữa tay và mắt.
Sau khi siêu tụ điện được chế tạo, các nhà nghiên cứu đã đo điện dung điện hóa hoặc khả năng giữ điện tích của thiết bị bằng cách đặt các điện áp khác nhau. Họ phát hiện ra rằng trong một số điều kiện nhất định, điện dung tăng 3000%. Ngược lại, một tụ điện chỉ chứa MoS2 không có graphene chỉ cho thấy điện dung tăng 18% trong cùng điều kiện.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch khám phá xem liệu việc thay thế MoS2 bằng các vật liệu khác có thể tăng thêm điện dung cho siêu tụ điện của họ hay không. Họ nói thêm rằng siêu tụ điện của họ có đầy đủ chức năng và có thể được triển khai trong các thiết bị lưu trữ năng lượng như pin ô tô điện hoặc bất kỳ hệ thống thu nhỏ nào bằng cách tích hợp trên chip. Họ cũng đang có kế hoạch đăng ký bằng sáng chế cho siêu tụ điện.
