Siêu tụ điện là một loại thiết bị được đặt tên phù hợp, có thể lưu trữ và cung cấp năng lượng nhanh hơn pin thông thường. Họ đang có nhu cầu cao về các ứng dụng bao gồm ô tô điện, viễn thông không dây và laser công suất cao.

Nhưng để hiện thực hóa những ứng dụng này, siêu tụ điện cần có những điện cực tốt hơn, giúp kết nối siêu tụ điện với các thiết bị phụ thuộc vào năng lượng của chúng. Những điện cực này cần phải vừa nhanh hơn vừa rẻ hơn để chế tạo trên quy mô lớn, đồng thời cũng có thể sạc và xả tải điện nhanh hơn. Một nhóm kỹ sư tại Đại học Washington cho rằng họ đã nghĩ ra một quy trình sản xuất vật liệu điện cực siêu tụ điện có thể đáp ứng các nhu cầu sử dụng và công nghiệp nghiêm ngặt này.

Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi trợ lý giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu của UW, Peter Pauzauskie, đã xuất bản một bài báo vào ngày 17 tháng 7 trên tạp chí Nature Microsystems và Nanoengineering mô tả điện cực siêu tụ điện của họ và cách họ chế tạo nó nhanh chóng, rẻ tiền. Phương pháp mới của họ bắt đầu với các vật liệu giàu carbon đã được sấy khô thành ma trận mật độ thấp gọi là aerogel. Bản thân aerogel này có thể hoạt động như một điện cực thô, nhưng nhóm của Pauzauskie đã tăng gấp đôi điện dung của nó, tức là khả năng lưu trữ điện tích của nó.

Những nguyên liệu ban đầu rẻ tiền này, cùng với quy trình tổng hợp hợp lý, giảm thiểu hai rào cản chung đối với ứng dụng công nghiệp: chi phí và tốc độ.

Pauzauskie cho biết: “Trong các ứng dụng công nghiệp, thời gian là tiền bạc. “Chúng tôi có thể tạo ra vật liệu ban đầu cho những điện cực này trong vài giờ, thay vì vài tuần. Và điều đó có thể làm giảm đáng kể chi phí tổng hợp để chế tạo các điện cực siêu tụ điện hiệu suất cao.”

Các điện cực siêu tụ điện hiệu quả được tổng hợp từ các vật liệu giàu carbon cũng có diện tích bề mặt cao. Yêu cầu thứ hai rất quan trọng vì siêu tụ điện có cách duy nhất để lưu trữ điện tích. Trong khi pin thông thường lưu trữ điện tích thông qua các phản ứng hóa học xảy ra bên trong nó thì siêu tụ điện lại lưu trữ và phân tách điện tích dương và điện tích âm trực tiếp trên bề mặt của nó.

Đồng tác giả Matthew Lim, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu của UW, cho biết: “Siêu tụ điện có thể hoạt động nhanh hơn nhiều so với pin vì chúng không bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng hoặc các sản phẩm phụ có thể hình thành”. “Siêu tụ điện có thể sạc và xả rất nhanh, đó là lý do tại sao chúng có khả năng cung cấp những ‘xung điện’ này rất tốt.”

Tác giả chính Matthew Crane, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học của UW cho biết: “Chúng có những ứng dụng tuyệt vời trong những môi trường mà pin quá chậm”. “Trong những thời điểm mà pin quá chậm để đáp ứng nhu cầu năng lượng, một siêu tụ điện có điện cực diện tích bề mặt cao có thể 'kích hoạt' nhanh chóng và bù đắp sự thiếu hụt năng lượng."

Để có được diện tích bề mặt cao cho điện cực hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã sử dụng aerogel. Đây là những chất ướt, giống như gel đã trải qua quá trình xử lý đặc biệt là sấy khô và gia nhiệt để thay thế các thành phần chất lỏng của chúng bằng không khí hoặc khí khác. Những phương pháp này bảo tồn cấu trúc 3-D của gel, mang lại cho nó diện tích bề mặt cao và mật độ cực thấp. Nó giống như loại bỏ hết nước ra khỏi Jell-O mà không bị co lại.

Pauzauskie cho biết: “Một gam aerogel chứa diện tích bề mặt bằng một sân bóng đá.

Crane đã tạo ra aerogel từ một loại polyme giống như gel, một loại vật liệu có các đơn vị cấu trúc lặp lại, được tạo ra từ formaldehyde và các phân tử gốc cacbon khác. Điều này đảm bảo rằng thiết bị của họ, giống như các điện cực siêu tụ điện ngày nay, sẽ bao gồm các vật liệu giàu carbon.

Trước đây, Lim đã chứng minh rằng việc thêm graphene – một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử – vào gel sẽ làm cho aerogel thu được có đặc tính siêu tụ điện. Tuy nhiên, Lim và Crane cần cải thiện hiệu suất của aerogel và làm cho quá trình tổng hợp trở nên rẻ hơn và dễ dàng hơn.

Trong các thí nghiệm trước đây của Lim, việc bổ sung graphene không cải thiện được điện dung của aerogel. Vì vậy, thay vào đó, họ nạp vào aerogel những tấm mỏng molybdenum disulfide hoặc vonfram disulfide. Ngày nay cả hai loại hóa chất này đều được sử dụng rộng rãi trong dầu nhờn công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu đã xử lý cả hai vật liệu bằng sóng âm thanh tần số cao để phá vỡ chúng thành các tấm mỏng và kết hợp chúng vào ma trận gel giàu carbon. Họ có thể tổng hợp một loại gel ướt được nạp đầy đủ trong vòng chưa đầy hai giờ, trong khi các phương pháp khác sẽ mất nhiều ngày.

Sau khi thu được aerogel khô, mật độ thấp, họ kết hợp nó với chất kết dính và một vật liệu giàu carbon khác để tạo ra một loại “bột” công nghiệp mà Lim có thể cán thành từng tấm chỉ dày vài phần nghìn inch. Họ cắt những chiếc đĩa có kích thước nửa inch từ bột và lắp ráp chúng thành những vỏ pin dạng đồng xu đơn giản để kiểm tra tính hiệu quả của vật liệu này như một điện cực siêu tụ điện.

Các điện cực của chúng không chỉ nhanh, đơn giản và dễ tổng hợp mà còn có điện dung lớn hơn ít nhất 127% so với riêng aerogel giàu carbon.

Lim và Crane hy vọng rằng aerogel chứa những tấm molybdenum disulfide hoặc vonfram disulfide thậm chí còn mỏng hơn – chúng dày khoảng 10 đến 100 nguyên tử – sẽ cho hiệu suất thậm chí còn tốt hơn. Nhưng trước tiên, họ muốn chứng minh rằng việc tổng hợp aerogel được nạp sẽ nhanh hơn và rẻ hơn, một bước cần thiết cho sản xuất công nghiệp. Việc tinh chỉnh diễn ra tiếp theo.

Nhóm nghiên cứu tin rằng những nỗ lực này có thể giúp thúc đẩy khoa học ngay cả ngoài lĩnh vực điện cực siêu tụ điện. Molybdenum disulfide lơ lửng trong aerogel của chúng có thể vẫn đủ ổn định để xúc tác cho quá trình sản xuất hydro. Và phương pháp bẫy vật liệu nhanh chóng trong aerogel của họ có thể được áp dụng cho pin hoặc chất xúc tác có điện dung cao.