Vượt qua những hạn chế tồn tại từ lâu: Các nhà khoa học Hàn Quốc công bố công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo
Bởi Hội đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ quốc gia
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một siêu tụ điện thế hệ tiếp theo bằng cách thiết kế một cấu trúc sợi nano độc đáo kết hợp các ống nano carbon và một loại polyme dẫn điện. Sự đổi mới này giúp tăng cường đáng kể hiệu suất lưu trữ năng lượng đồng thời mở đường cho các hệ thống năng lượng nhanh hơn, bền hơn và linh hoạt hơn. (Ý tưởng của nghệ sĩ.) Nguồn: SciTechDaily.com
Phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo có thể cung cấp cả công suất cao và dung lượng cao cùng một lúc.
Một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Bon-Cheol Ku và Tiến sĩ Seo Gyun Kim từ Trung tâm nghiên cứu vật liệu composite carbon tại Viện khoa học và công nghệ Hàn Quốc (KIST) dẫn đầu, cùng với Giáo sư Yuanzhe Piao của Đại học quốc gia Seoul (SNU), đã phát triển một siêu tụ điện hiệu suất cao có thể đại diện cho thế hệ lưu trữ năng lượng tiếp theo.
Bước đột phá của họ giải quyết những hạn chế chính của siêu tụ điện hiện tại bằng cách sử dụng cấu trúc sợi tiên tiến được làm từ ống nano carbon (CNT) thành đơn và polyaniline polyme dẫn điện (PANI).
Siêu tụ điện sạc nhanh hơn và cung cấp mật độ công suất cao hơn so với pin thông thường, với mức giảm hiệu suất tối thiểu ngay cả sau hàng chục nghìn chu kỳ sạc. Tuy nhiên, mật độ năng lượng thấp hơn của chúng hạn chế thời gian hoạt động của chúng, khiến chúng kém thực tế hơn đối với các ứng dụng sử dụng kéo dài như xe điện và máy bay không người lái.
Bên trái) Minh họa sơ đồ của hợp chất CNT và PANI. Nó cho thấy PANI liên kết cộng hóa trị được phân bổ đều giữa các CNT và mỗi PANI có thể hoạt động như một ô nano. (Bên phải) Sợi tổng hợp được chế tạo dựa trên các đặc điểm này cho thấy mật độ công suất và năng lượng tuyệt vời cùng một lúc, vượt xa các đặc điểm của siêu tụ điện thông thường. (*KIST1 là giá trị được tính theo trọng lượng của riêng PANI và KIST2 là giá trị được tính theo trọng lượng của sợi.) Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST)
Cấu trúc sợi CNT-PANI sáng tạo
Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu đã liên kết hóa học các ống nano carbon (CNT) thành đơn, được biết đến với độ dẫn điện cao, với polyaniline (PANI), một loại polyme dẫn điện giá rẻ và dễ xử lý. Bằng cách kết hợp các vật liệu này ở cấp độ nano, họ đã tạo ra một cấu trúc sợi phức tạp giúp cải thiện chuyển động của cả electron và ion. Điều này tạo ra một siêu tụ điện có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn và giải phóng năng lượng nhanh hơn.
Để thấy được tiềm năng thương mại hóa của tụ điện sợi tổng hợp, một quy trình sản xuất hàng loạt đã được giới thiệu. Các bó sợi từ sợi một sợi đến sợi 300 sợi đã được sản xuất thông qua quy trình sản xuất hàng loạt và có thể thấy rằng điện dung riêng được duy trì tốt mà không giảm vì PANI hoạt động như một nanocell bên trong. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST)
Siêu tụ điện mới đã chứng minh hiệu suất ổn định qua hơn 100.000 chu kỳ sạc và xả và vẫn hiệu quả ngay cả trong môi trường điện áp cao. Nhờ độ bền và hiệu quả, công nghệ này có thể thay thế hoặc cải tiến hệ thống pin hiện tại. Trong xe điện, nó có thể cung cấp năng lượng sạc nhanh giúp tăng cả phạm vi lái xe và hiệu suất.
Máy bay không người lái và rô-bốt cũng có thể được hưởng lợi từ thời gian hoạt động dài hơn và độ tin cậy được cải thiện. Ngoài ra, sợi tổng hợp CNT-PANI rất linh hoạt, cho phép cuộn hoặc gấp để sử dụng trong các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo như thiết bị đeo được.
Sản xuất hàng loạt và giảm chi phí
Một thành tựu lớn khác của nghiên cứu là giảm chi phí sản xuất và khả năng sản xuất hàng loạt. Mặc dù có những đặc tính tuyệt vời, nhưng ống nano carbon thành đơn (CNT) rất khó thương mại hóa do chi phí sản xuất cao, nhưng các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp chúng với polyaniline polyme dẫn điện giá rẻ (PANI).
Sơ đồ quy trình tổng thể mà PANI sản xuất sợi tổng hợp: (từ trái sang phải) tạo thành pha tinh thể lỏng dựa trên ống nano carbon, quay nó thành bể đông tụ, đông đặc và kéo căng nó. Sợi thu được cuối cùng có cấu trúc phân bố PANI đều. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST)
Hơn nữa, họ đã đặt nền tảng cho sản xuất hàng loạt thông qua một quy trình đơn giản và gần đây đã thành công trong việc phát triển các cấu trúc dạng màng dựa trên công nghệ này, thúc đẩy thương mại hóa hơn nữa. Trong tương lai, nó sẽ được sử dụng như một công nghệ hỗ trợ chính cho quá trình chuyển đổi sang xã hội trung hòa carbon trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như xe điện, rô bốt, máy bay không người lái và thiết bị đeo được.
"Công nghệ này khắc phục được những thiếu sót của siêu tụ điện bằng cách sử dụng ống nano carbon thành đơn và polyme dẫn điện", Tiến sĩ Bon-Cheol Ku của KI cho biết
ST. “Chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển và công nghiệp hóa sợi carbon hiệu suất cực cao dựa trên ống nano carbon.”
Tài liệu tham khảo: “Sợi composite ống nano carbon có cấu trúc nanocell dành cho siêu tụ điện mật độ công suất và năng lượng cực cao” của Dongju Lee, Junghwan Kim, Chae Won Kim, Jeong-Gil Kim, Se Eun Jung, So Jeong Heo, Byeong Woo Im, Nam Dong Kim, Seo Gyun Kim, Yuanzhe Piao và Bon-Cheol Ku, ngày 27 tháng 1 năm 2025, Vật liệu composite Phần B: Kỹ thuật.
DOI: 10.1016/j.compositesb.2025.112179
Nghiên cứu này được Bộ Khoa học và CNTT (Bộ trưởng Yoo Sang-im) hỗ trợ thông qua Chương trình thể chế KIST, Dự án phát triển công nghệ dẫn đầu đổi mới khu vực (RS-2019-NR040066), Dự án thí điểm xây dựng nền tảng nghiên cứu học thuật (RS-2023-00304729) và Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng (Bộ trưởng Ahn Duk-geun) thông qua Dự án phát triển công nghệ thành phần vật liệu (RS-2023-00258521). Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí quốc tế mới nhất ‘Composites Part B: Engineering’ (IF: 12.7, JCR: 0.3%) và các đơn xin cấp bằng sáng chế trong nước và Hoa Kỳ đã được nộp.
