Plasma nitơ và argon tăng cường hiệu suất của điện cực siêu tụ điện gốc cacbon
Tác giả: Nicolas Posunko, Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo
Ảnh chụp bằng kính hiển vi màu cho thấy các nanowall cacbon chưa biến đổi khi nhìn bằng kính hiển vi điện tử quét. Tác giả: Stanislav Elvashin
Các nhà khoa học từ Skoltech, Viện Công nghệ nano vi điện tử, RAS và các trung tâm nghiên cứu khác đã cải tiến hiểu biết về cách xử lý plasma của điện cực gốc cacbon ảnh hưởng đến các đặc điểm chính của siêu tụ điện. Đây là các thiết bị lưu trữ năng lượng bổ sung cho pin trong ô tô điện, tàu hỏa, cần cẩu cảng và những nơi khác.
Khi các nhà khoa học nghiên cứu tác động của nhiều biến đổi điện cực khác nhau lên điện dung, bộ công cụ để tăng cường hiệu suất siêu tụ điện sẽ được mở rộng và các thiết bị này sẽ lưu trữ nhiều năng lượng hơn và tìm thấy nhiều ứng dụng hơn. Những phát hiện được báo cáo trong Electrochimica Acta.
"Nhóm của chúng tôi đang nghiên cứu các cách cải thiện hiệu suất của các thiết bị được gọi là siêu tụ điện bằng cách điều chỉnh vật liệu gốc carbon được sử dụng trong điện cực của chúng", nhà nghiên cứu chính của nghiên cứu, Phó giáo sư Stanislav Evlashin của Skoltech Materials, nhận xét.
"Về cơ bản, có hai cách để tăng lượng năng lượng mà siêu tụ điện lưu trữ. Hoặc là tăng diện tích bề mặt hiệu dụng của điện cực bằng thiết kế bề mặt phức tạp hoặc là đưa các nguyên tử lạ vào vật liệu carbon của điện cực. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã có bước tiến trong việc hiểu tác động của việc đưa các nguyên tử lạ vào".
Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng thường được sử dụng kết hợp với công nghệ lithium-ion. Không giống như pin thông thường, chúng cung cấp hoặc thu thập năng lượng gần như ngay lập tức, do đó chúng có thể tạo ra sự bùng nổ năng lượng nhanh chóng cần thiết để nâng tải, đưa xe vào chuyển động, kéo phanh, v.v.
Siêu tụ điện cũng có thể xử lý phạm vi nhiệt độ rộng hơn. Chúng cũng ít bị hao mòn, có tuổi thọ cao và có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin lithium-ion.
So với công nghệ ion kim loại, siêu tụ điện hỏng không gây ra nguy cơ cháy nổ đáng kể. Và các vật liệu được sử dụng tương đối dễ xử lý theo cách thân thiện với môi trường.
Ảnh chụp bằng kính hiển vi màu cho thấy các bức tường nano cacbon chưa biến đổi khi nhìn bằng kính hiển vi điện tử quét. Nguồn: Stanislav Elvashin
Siêu tụ điện cho phép cung cấp điện liên tục cho bệnh viện, trung tâm dữ liệu và thiết bị viễn thông để đảm bảo dịch vụ liên tục và tránh mất bộ nhớ. Công nghệ này cũng được sử dụng để cân bằng nhu cầu cao điểm trên lưới điện. Siêu tụ điện có tiềm năng cho các cảm biến và thiết bị truyền thông Internet vạn vật, cũng như các thiết bị y tế đeo được và thiết bị điện tử cầm tay.
Trong xe điện và xe hybrid, siêu tụ điện hữu ích để khởi động và dừng xe, cũng như trợ lực lái. Khi kết hợp với động cơ xăng, siêu tụ điện hứa hẹn sạc nhanh hơn cho ắc quy xe. Xe điện nói chung và tàu hỏa nói riêng có thể được hưởng lợi từ siêu tụ điện thu năng lượng giải phóng khi phanh để tăng hiệu suất tổng thể.
Điện dung của siêu tụ điện càng lớn thì năng lượng lưu trữ càng nhiều. Các nhà nghiên cứu của Skoltech đang nghiên cứu cách các nguyên tử lạ trong vật liệu carbon tạo nên điện cực của siêu tụ điện ảnh hưởng đến điện dung.
Ảnh chụp bằng kính hiển vi màu cho thấy các nanowall carbon chưa biến đổi khi nhìn bằng kính hiển vi điện tử quét. Nguồn: Stanislav Elvashin
Ảnh chụp bằng kính hiển vi màu cho thấy các nanowall carbon chưa biến đổi khi nhìn bằng kính hiển vi điện tử quét. Nguồn: Stanislav Elvashin
Ảnh chụp bằng kính hiển vi màu cho thấy các nanowall carbon chưa biến đổi khi nhìn bằng kính hiển vi điện tử quét. Nguồn: Stanislav Elvashin
Trong nghiên cứu gần đây, nhóm Skoltech đã thử nghiệm tác động của plasma của sáu thành phần hóa học lên điện dung của các nanowall carbon, một vật liệu được sử dụng để chế tạo điện cực siêu tụ điện. Trong sáu thành phần đó, chỉ có hỗn hợp nitơ và argon tỏ ra phù hợp, biến đổi vật liệu theo cách tăng gấp đôi điện dung diện tích của nó.
Mặc dù đây không phải là hồ sơ về các sửa đổi điện cực dựa trên carbon như vậy, nhưng kết quả của nghiên cứu này đã làm sáng tỏ điện hóa học liên quan.
"Chúng tôi phát hiện ra rằng điều xảy ra đầu tiên là carbon vô định hình còn lại sau khi các cấu trúc nanowall carbon phát triển được loại bỏ. Tiếp theo là sự hình thành các khuyết tật mới và sự kết hợp các nguyên tử dị hợp tử vào cấu trúc vật liệu carbon. Carbon vô định hình, cùng với các nguyên tử dị hợp tử của nitơ, góp phần vào sự xuất hiện của điện dung giả", Evlashin cho biết.
