Trong nỗ lực tìm kiếm các giải pháp năng lượng hiệu quả và bền vững hơn, một nhóm nghiên cứu của nhiều trường đại học đã đạt được một cột mốc quan trọng trong công nghệ tụ điện. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Houston, Đại học bang Jackson và Đại học Howard đã phát triển một loại tụ điện linh hoạt có mật độ năng lượng cao mới, là thiết bị lưu trữ năng lượng.
Một nguyên mẫu tụ điện với các chất độn nano 2D phân tầng được nhúng trong ma trận polyme đang được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của Đại học Houston. Tín dụng: Đại học Houston
Mặc dù thiết bị nguyên mẫu chỉ có kích thước 1 inch x 1 inch, nhưng phiên bản mở rộng của cải tiến này có khả năng cách mạng hóa hệ thống lưu trữ năng lượng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm y tế, hàng không, ô tô (EV), điện tử tiêu dùng và quốc phòng.
Các nhà nghiên cứu đã chia sẻ chi tiết nghiên cứu trong một bài báo có tiêu đề “Mật độ năng lượng điện dung cực cao trong màng điện môi polymer dựa trên chất độn nano 2D phân tầng”, được xuất bản trên tạp chí ACS Nano.
Tụ điện điện môi, thành phần quan trọng của thiết bị điện tử và hệ thống lưu trữ năng lượng, được biết đến với khả năng phóng điện nhanh chóng lượng năng lượng lớn, khiến chúng trở nên quan trọng đối với các ứng dụng năng lượng cao.
"Tụ điện năng lượng cao và công suất lớn rất cần thiết để có được nguồn điện đáng tin cậy, đặc biệt khi chúng ta chuyển sang sử dụng nhiều nguồn năng lượng tái tạo hơn. Tuy nhiên, tụ điện điện môi hiện tại không lưu trữ được nhiều năng lượng như các loại thiết bị lưu trữ năng lượng khác như pin." Alamgir Karim, Chủ tịch Dow và Giáo sư Kỹ thuật Hóa học của Quỹ Welch tại UH và cố vấn của nhóm cho biết: “Mật độ năng lượng cao hơn của tụ điện khiến chúng trở nên hấp dẫn hơn đối với vô số ứng dụng so với pin”.
Lượng năng lượng mà tụ điện có thể lưu trữ phụ thuộc vào độ thấm (ε) và cường độ đánh thủng điện môi (EBD). Ông nói thêm: “Để tăng khả năng lưu trữ năng lượng của tụ điện, chúng ta cần cải thiện cả hai.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một loại tụ điện mới sử dụng polyme phân lớp với chất độn nano 2D định hướng. Họ đã sử dụng các mảnh vật liệu 2D được tẩy tế bào chết bằng cơ học làm chất độn nano. Các nhà nghiên cứu đã tối đa hóa khả năng lưu trữ năng lượng bằng cách sắp xếp các vật liệu này thành các lớp cụ thể, tạo ra cấu trúc giống như bánh sandwich để cải thiện hiệu suất của tụ điện. Kết quả là chiếc bánh sandwich siêu mỏng, mỏng hơn cả tóc người. Thiết kế mới này cho thấy hiệu suất được cải thiện với mật độ năng lượng và hiệu suất cao hơn so với các tụ điện có chất độn nano được trộn ngẫu nhiên.
Maninderjeet Singh, người có bằng tiến sĩ, cho biết: “Công trình của chúng tôi chứng minh sự phát triển của tụ điện năng lượng cao và mật độ công suất cao bằng cách ngăn chặn các đường dẫn điện trong vật liệu polyme bằng cách sử dụng chất độn nano 2D định hướng”. về kỹ thuật hóa học tại UH năm ngoái và là tác giả đầu tiên của bài báo cùng với Priyanka Das từ Đại học bang Jackson. “Chúng tôi đã đạt được mật độ năng lượng cực cao khoảng 75 J/cm³, mức cao nhất được báo cáo đối với tụ điện điện môi polyme cho đến nay”.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu như mica và boron nitride lục giác (hBN) để chứng minh tính hiệu quả của việc kiểm soát hướng của tấm nano 2D trong việc chặn các đường dẫn sự cố điện. Đáng ngạc nhiên là người ta đã quan sát thấy sự cải thiện đáng kể về độ thấm điện môi ngay cả với một phần thể tích tối thiểu (1%) của chất độn nano.
Karim cho biết: “Với sự trợ giúp của kỹ thuật chuyển giao và tẩy da chết cơ học, chúng tôi đã đạt được thành công định hướng mong muốn”, đồng thời cho biết thêm rằng các nhà nghiên cứu của Bang Jackson rất quan trọng đối với phần này của quy trình. Cả Karim và Nihar Pradhan từ bang Jackson đều là tác giả tương ứng của bài báo.
Cho rằng các nhà nghiên cứu đã chứng minh cách sử dụng nanocompozit nhiều lớp lần đầu tiên để thiết kế các thiết bị lưu trữ năng lượng polyme, Karim và Giáo sư Dharmaraj Raghavan từ Đại học Howard, một chuyên gia nanocompozit, mong đợi các tụ điện lai này sẽ được sử dụng trong phạm vi rộng. của các ứng dụng trong tương lai và có kế hoạch tiếp tục nỗ lực mở rộng khả năng lưu trữ năng lượng bằng cách phát triển các bề mặt tiếp xúc hữu cơ-vô cơ liên tục trong các vật liệu nanocompozit đó.
Các ứng dụng tiềm năng của các tụ điện mật độ năng lượng cao này rất nhiều. Các nhà nghiên cứu hình dung các tụ điện cuối cùng sẽ được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy điều hòa nhịp tim và máy khử rung tim, cũng như các ứng dụng trong thiết bị điện tử, xe điện, hệ thống điện, v.v.
Singh, hiện là nhà khoa học nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Columbia, cho biết: “Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết có giá trị về hiện tượng phân hủy điện môi và phân cực điện tích trong vật liệu nano polyme 2D”. "Chúng tôi tin rằng những phát hiện của chúng tôi sẽ truyền cảm hứng cho các nghiên cứu tiếp theo để phát triển các tụ điện có mật độ năng lượng cao hơn nữa, góp phần tạo nên một tương lai sạch hơn và bền vững hơn."
Ngoài bước đột phá này, nhóm nghiên cứu còn nghiên cứu các hệ thống polyme khác, bao gồm thao tác cấu trúc liên kết polyme, các hạt nano ghép polyme và các copolyme khối phân lớp trong nỗ lực phát triển các tụ điện mật độ năng lượng cao cho một tương lai sạch.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
