Siêu tụ điện cạnh tranh được với pin: Đột phá lưu trữ năng lượng của Monash

Siêu tụ điện cạnh tranh được với pin: Đột phá lưu trữ năng lượng của Monash

Hình minh họa so sánh ba dạng cấu trúc graphene và ảnh hưởng của chúng đến sự khuếch tán ion cũng như khả năng tích điện trong siêu tụ điện:

1. Graphene dạng phiến (Lamellar, bên trái)

   • Cấu trúc: Các lớp graphene xếp chồng thành dạng màng.

   • Đặc điểm:

     • ✔ Mật độ cao (nén chặt)

     • ✘ Đường khuếch tán ion ngoằn ngoèo → ion di chuyển kém hiệu quả

     • ✘ Dung lượng chuẩn hóa thấp vì bề mặt hoạt động khó tiếp cận.

2. Graphene vô định hình (Disordered Graphene, D-rGO, ở giữa)

   • Cấu trúc: Các tấm graphene xếp ngẫu nhiên thành mạng 3D.

   • Đặc điểm:

     • ✘ Mật độ thấp (quá xốp, kém nén)

     • ✔ Ion khuếch tán nhanh hơn so với graphene dạng phiến

     • ✘ Dung lượng chuẩn hóa vẫn thấp, do nhiều bề mặt không được sử dụng hiệu quả.

3. Graphene đa cấp (Multiscale Graphene, M-rGO, bên phải)

   • Cấu trúc: Các miền graphene cong được bố trí trong khung 3D.

   • Đặc điểm:

     • ✔ Mật độ cao (nén tốt)

     • ✔ Đường khuếch tán nhanh (ion đi dễ dàng qua các kênh cong)

     • ✔ Dung lượng chuẩn hóa cao (bề mặt hoạt động lớn, khai thác tối đa để lưu trữ điện tích).

Thông điệp chính:

• Graphene dạng phiến = đặc nhưng cản trở ion.

• Graphene vô định hình = ion đi nhanh nhưng mật độ thấp, ít hiệu quả.

• Graphene đa cấp (M-rGO) = kết hợp cả hai ưu điểm → mật độ cao, ion khuếch tán nhanh, dung lượng cao → rất phù hợp cho siêu tụ điện thế hệ mới.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Monash (Úc), trong bài đăng trên Nature Communications, đã tiến hành một bước đột phá trong lưu trữ năng lượng bằng cách phát triển một loại siêu tụ điện sử dụng vật liệu dẫn xuất carbon mới, có khả năng lưu năng lượng gần bằng pin, đồng thời vượt trội hơn nhiều về khả năng cung cấp công suất (power) nhanh chóng. Tech Xplore

Vật liệu chủ đạo: Graphene bị khử đa cấp (Multiscale Reduced Graphene Oxide – M-rGO)

• Vật liệu này có tên multiscale reduced graphene oxide (M-rGO), được tổng hợp từ graphite tự nhiên, vốn là nguyên liệu phổ biến và dồi dào. Tech Xplore

• Thông qua xử lý nhiệt (annealing) nhanh, nhóm nghiên cứu tạo ra cấu trúc graphene cong nhiều mức độ (multiscale), với các kênh dẫn ion được thiết kế chính xác, giúp ion dễ di chuyển. Việc này tăng diện tích bề mặt có thể tham gia lưu điện tích, từ đó vừa đạt mật độ năng lượng cao, vừa đạt mật độ công suất cao. Tech Xplore

Thông số nổi bật

Khi lắp vào các cell dạng pouch sử dụng điện phân ion lỏng (ionic liquid), siêu tụ thể hiện:

Những con số này đặt siêu tụ điện mới vào gần tầm với pin chì-axit (lead-acid) về lưu năng lượng, nhưng vượt trội hơn hẳn ở khả năng sạc/xả nhanh.

Ý nghĩa ứng dụng

• Sạc/xả nhanh: Siêu tụ điện có thể đáp ứng những yêu cầu cần công suất cao tức thì (ví dụ: trong xe điện khi cần gia tốc, trong hệ thống ổn định lưới điện, hệ thống phanh tái tạo năng lượng).

• Khả năng mở rộng & nguồn nguyên liệu: Graphite là nguyên liệu phổ biến, và quy trình sản xuất có thể mở rộng. Đây là một lợi thế lớn nếu muốn sản xuất hàng loạt.

• Đối với nhiều ứng dụng: Dù chưa thể thay pin trong mọi trường hợp, nhưng ở các ứng dụng yêu cầu vừa năng lượng đủ, vừa công suất cao, tuổi thọ chu kỳ sạc/xả lớn, siêu tụ điện có thể là giải pháp thay thế pin trong tương lai.

Thách thức cần vượt qua

• Giữ năng lượng lâu & hao hụt tự phóng điện: Siêu tụ điện vốn có nhược điểm là dễ bị mất điện khi không sử dụng, và năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích/nội năng vẫn thường thấp hơn pin hóa học trong nhiều tình huống.

• Chi phí sản xuất & độ chính xác công nghệ: Các bước xử lý nhiệt cao cấp và cấu trúc graphene cong đa cấp đòi hỏi độ chính xác, có thể tốn chi phí.

• Khả năng chịu điều kiện thực tế: Khi đưa vào môi trường ngoài phòng thí nghiệm (nhiệt độ dao động, rung, độ ẩm, tác nhân ăn mòn), hiệu suất và độ bền có thể giảm.

Ứng dụng & tầm quan trọng với Việt Nam

• Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ điện — siêu tụ điện như M-rGO có thể là một lựa chọn hấp dẫn cho việc ổn định lưới điện, đặc biệt khi có nguồn gió/mặt trời dư thừa, hoặc cho các khu công nghiệp muốn có hệ thống dự phòng / sạc nhanh.

• Trong vận tải: sử dụng cho xe buýt điện, phương tiện công cộng cần tăng tốc nhanh hoặc phanh hồi năng lượng.

• Trong hệ thống năng lượng vi mô (microgrid): siêu tụ điện có thể cung cấp công suất tức thời để ổn định điện áp, giảm dao động trước khi pin hoặc các thiết bị lưu trữ khác đáp ứng.

• Cần có đầu tư thử nghiệm thực tiễn, và chính sách hỗ trợ (nghiên cứu, sản xuất nội địa, thu hút vốn cho đổi mới sáng tạo) nếu công nghệ muốn được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam.