Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện nói chung trên thế giới
Siêu tụ điện (tiếng Anh là supercapacitor, electrochemical capacitor hay ultracapacitor) có thể được coi là một mô hình lưu trữ điện trung gian giữa pin
(công suất thấp/năng lượng cao) và tụ điện (công suất cao/năng lượng thấp)
Để tăng cường khả năng thâm nhập thị trường và đáp ứng nhu cầu đa dạng cho nhiều ứng dụng công nghệ khác nhau, các nghiên cứu về siêu tụ điện đang thu hút sự đầu tư mạnh mẽ từ các công ty lớn, trung tâm nghiên cứu và trường đại học toàn cầu Đặc biệt, siêu tụ điện nhóm hybrid capacitor, thế hệ mới nhất, đang nhận được sự quan tâm lớn nhờ khả năng kết hợp ưu điểm của các dạng siêu tụ trước cùng với tính năng nổi bật của tụ điện truyền thống và pin/ắc quy Nhóm siêu tụ này được chia thành ba phân nhóm nhỏ dựa trên đặc tính của điện cực, bao gồm composite, asymmetric và battery-type, cung cấp những tính năng vận hành đặc biệt cho các yêu cầu chuyên dụng.
Siêu tụ điện không đối xứng sử dụng hai điện cực dương và âm được chế tạo từ các vật liệu khác nhau, thường là polymer dẫn điện cho điện cực dương và carbon hoạt tính cho điện cực âm Sự kết hợp này giúp siêu tụ điện không đối xứng đạt được chỉ số mật độ công suất và năng lượng cao hơn so với siêu tụ điện dạng lớp đôi, đồng thời có tuổi thọ sử dụng lâu hơn so với siêu tụ điện dạng giả.
Siêu tụ điện có cấu trúc tương tự như điện cực không đối xứng, nhưng khác biệt ở chỗ một điện cực hoạt động theo cơ chế siêu tụ với vật liệu thường là carbon hoạt tính, trong khi điện cực còn lại hoạt động theo cơ chế của pin, sử dụng vật liệu như nickel hydroxide, chì dioxide hoặc LTO.
Cấu trúc Li4Ti5O12 được cho là có khả năng kết hợp những ưu điểm nổi bật của pin, như khả năng tích trữ năng lượng cao, với các đặc điểm vượt trội của siêu tụ, bao gồm mật độ công suất lớn, tuổi thọ dài và thời gian nạp nhanh.
Điện cực composite tối ưu hóa đặc tính của tụ điện thông qua thiết kế hai bản cực với các loại điện cực khác nhau, trong đó việc tìm kiếm vật liệu tốt cho điện cực là rất quan trọng Hiện nay, vật liệu composite từ carbon (đặc biệt là CNTs) và polymer dẫn điện hoặc oxit kim loại đang được phát triển cho linh kiện lưu trữ năng lượng, bao gồm siêu tụ điện Điện cực composite này kết hợp cả hai nguyên lý tạo ra điện dung: tĩnh điện và điện hóa Vật liệu carbon tạo điện dung qua cơ chế double-layer và cũng đóng vai trò là khung cho các vật liệu khác, tạo ra điện dung qua cơ chế giả điện dung Các hệ điện cực composite như CNT-polypyrrole, graphene/polyaniline nanofiber và graphene/MnO2 đã cho kết quả vượt trội so với điện cực đơn giản từ CNT hay polypyrrole Nhiều nghiên cứu gần đây cũng cho thấy tiềm năng của hệ composite CNT-polyaniline và nano Si-polyaniline (PANI).
Ngoài điện cực, chất điện giải và màng ngăn cách cũng là hai thành phần quan trọng quyết định hiệu quả hoạt động của siêu tụ Chất điện giải thường được sử dụng ở dạng lỏng, như dung môi hữu cơ hoặc dung dịch nước, nhưng điều này gây ra nhiều hạn chế trong quá trình sử dụng và bảo quản Gần đây, chất điện giải dẻo đã được nghiên cứu và sử dụng để thay thế cho các chất điện giải lỏng truyền thống Khi kết hợp với điện cực dẫn dẻo, chất điện giải dẻo tạo ra siêu tụ dẻo, sản phẩm đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nghiên cứu hiện nay nhờ vào ứng dụng tiềm năng trong linh kiện điện tử, xe điện và năng lượng tái tạo.
Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện ở Việt Nam và trung tâm nghiên cứu triển khai, khu CNC - TPHCM
Nghiên cứu về vật liệu cho linh kiện siêu tụ điện đang thu hút sự chú ý tại Việt Nam, đặc biệt với một số công bố về chế tạo vật liệu MnO2 làm điện cực theo cơ chế giả điện dung, trong đó có kết quả điện dung 199 F/g từ nhóm nghiên cứu tại Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Bên cạnh đó, cũng có nghiên cứu về vật liệu điện cực lớp kép sử dụng cấu trúc thớ nano Tuy nhiên, hiện tại, nghiên cứu về tụ điện ở Việt Nam chủ yếu dừng lại ở việc chế tạo và khảo sát các vật liệu phổ biến Do đó, để phát triển công nghệ siêu tụ điện trong nước, cần có những nghiên cứu sâu hơn về vật liệu mới và chế tạo linh kiện hoàn chỉnh.
Trung tâm nghiên cứu triển khai thuộc khu CNC – TPHCM đã thực hiện những nghiên cứu quan trọng về vật liệu và linh kiện siêu tụ điện, bao gồm việc tổng hợp CNTs và PANI, cùng với việc chế tạo siêu tụ đơn dẻo từ giấy bucky và màng điện giải PVA Kết quả kiểm tra cho thấy giấy bucky và polymer PANI đạt điện dung riêng khoảng 20 F/g và 48.5 F/g, tương đương với các mức điện dung đã được công bố trong tài liệu nghiên cứu khoa học Những kết quả này sẽ là nền tảng quan trọng cho sự thành công của đề tài Nhóm nghiên cứu cũng dự kiến tổng hợp và kiểm tra tính chất điện hóa của vật liệu V2O5 trên giấy bucky trong thời gian tới.
Vật liệu oxit này đã chứng minh khả năng dự trữ điện vượt trội, đạt hơn 1000 F/g khi được phủ lên giấy bucky trong môi trường siêu tới hạn, theo nghiên cứu của TS Đỗ Hữu Quyết Tại trung tâm nghiên cứu triển khai, V2O5 sẽ được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa nhằm giảm chi phí và dễ dàng sản xuất quy mô lớn.
Hình 1: Một số kết quả nghiên cứu siêu tụ điện ban đầu ở Trung tâm Nghiên cứu triển khai
Hình 2: Quy trình chế tạo giấy Bucky bằng phương pháp lọc chân không
Đặc điểm và một số ứng dụng của siêu tụ điện
Siêu tụ điện có điện dung lớn hơn nhiều so với tụ điện thông thường, cho phép lưu trữ một lượng lớn điện năng Quá trình nạp và phóng điện của siêu tụ điện dựa vào sự chuyển động của điện tích dưới tác động của điện trường, không cần phản ứng hóa học, điều này giúp chúng rất bền và ít bị suy thoái Thời gian sử dụng của siêu tụ điện có thể lên đến hàng chục năm và có khả năng nạp đi nạp lại hơn 500.000 lần, trong khi ắc quy hay pin nạp chỉ có thể nạp lại vài ngàn lần và thời gian sử dụng chỉ khoảng vài năm.
Việc nạp và phóng điện siêu tụ điện diễn ra nhanh chóng nhờ vào việc sử dụng điện trường để điều khiển chuyển động của các ion vào các lỗ nhỏ trong than hoạt tính khi nạp, và cho electron chạy qua mạch ngoài để cân bằng các ion dương và âm ở các điện cực than khi phóng Ngược lại, pin nạp cần thời gian để phản ứng hóa học diễn ra, do đó không thể nạp hoặc phóng nhanh như siêu tụ điện.
Do cấu tạo của lớp điện tích kép, siêu tụ điện chỉ chịu được hiệu điện thế khoảng 2-3 vôn Để hoạt động ở điện thế cao hơn, cần phải ghép nối tiếp nhiều siêu tụ điện.
Cấu tạo của các điện cực trong siêu tụ điện rất gần nhau, dẫn đến việc điện tích dễ bị rò rỉ và không giữ được lâu Điều này khiến siêu tụ điện tự sụt thế nhanh hơn so với pin nạp và ắc quy.
Những thông số kỹ thuật quan trọng bao gồm kích thước và giá thành của nguồn điện lưu động Tiêu chuẩn năng lượng được xác định dựa trên công suất tạo ra tương ứng với mỗi đơn vị khối lượng, được đo bằng Wh/kg (Watt giờ/kilogam).
Siêu tụ điện hiện nay có mật độ năng lượng khoảng 60Wh/kg, chỉ bằng một nửa so với pin Li-ion tốt nhất có mật độ 120Wh/kg Tuy nhiên, nghiên cứu công nghệ nano đã cho thấy khả năng phát triển siêu tụ điện với ống nanocacbon, đạt mật độ công suất vượt trên 100kWh/kg, cao gấp ba lần so với pin nạp tốt nhất hiện nay.
Giá thành của siêu tụ điện thường được tính theo đơn vị đôla trên Farad, tức là chi phí để lưu trữ một Farad điện dung Vào năm 1980, siêu tụ điện có điện áp 2,3 vôn và điện dung đã được nghiên cứu và phát triển.
Siêu tụ điện 470 Farad do hãng Panasonic sản xuất hiện có giá thành khoảng 2 đôla mỗi Farad Tuy nhiên, giá của loại siêu tụ điện này đã giảm mạnh xuống chỉ còn 0,1 đôla mỗi Farad, và dự kiến trong tương lai sẽ tiếp tục giảm xuống còn 0,005 đôla mỗi Farad.
Có thể kể một vài ứng dụng của siêu tụ điện hiện nay
- Ứng dụng trong giao thông:
Từ năm 2005, Trung Quốc đã thử nghiệm xe buýt điện Capabus (Capacitor Bus) tại Thượng Hải Xe buýt này sử dụng động cơ điện hoạt động bằng năng lượng từ siêu tụ điện, không cần đường dây điện như xe buýt điện thông thường Dọc theo lộ trình, các trạm dừng được trang bị hệ thống sạc nhanh cho siêu tụ điện, với thời gian sạc ngắn hơn thời gian hành khách lên xuống Tại các trạm đầu và cuối, xe buýt có thể sạc đầy năng lượng cho siêu tụ điện.
Vào năm 2001 và 2002, Đức đã thử nghiệm xe buýt công cộng kết hợp giữa diesel và siêu tụ điện Từ năm 2003, tuyến đường sắt nhẹ tại Manheim Sadbahn đã sử dụng siêu tụ điện để thu hồi năng lượng phanh Siemens AG đã phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng Sibac dựa trên siêu tụ điện cho phương tiện di động, trong khi công ty Senelec cũng đã triển khai hệ thống giao thông tương tự Với sự tiến bộ trong công nghệ nano, siêu tụ điện hứa hẹn sẽ có một tương lai tươi sáng.
Công nghệ siêu tụ điện đang được áp dụng cho xe điện tại Tây Ban Nha và Pháp, cũng như cho xe điện và xe buýt “lai” trên toàn cầu, giúp giảm khoảng 30% lượng khí thải carbon cho xe buýt MAN, một công ty sản xuất phương tiện trọng tải lớn tại Munich, ước tính rằng các toa xe trang bị siêu tụ điện có thể tiết kiệm khoảng 4.500 USD mỗi năm cho chi phí nhiên liệu.
Năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió có tính chất không ổn định, với thời điểm cung cấp điện mạnh mẽ và lúc lại rất yếu Ví dụ, pin mặt trời chỉ hoạt động hiệu quả trong những giờ nắng, trong khi năng lượng gió cũng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Thay vì sử dụng ắc quy để lưu trữ điện, siêu tụ điện cho phép tích trữ toàn bộ năng lượng từ pin mặt trời và gió mà không bị lãng phí Một trong những vấn đề lớn hiện nay là tuổi thọ ngắn của ắc quy, thường chỉ kéo dài từ nửa năm đến một năm, gây tốn kém và mất thời gian Ngược lại, siêu tụ điện có thể sử dụng hơn mười năm trước khi cần thay thế, mang lại hiệu quả kinh tế và tiện lợi hơn cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo.
Tại Việt Nam, hai tác giả Võ Trần Tấn Quốc và Nguyễn Chí Ngôn từ Trường đại học Cần Thơ đã thực hiện nghiên cứu khoa học về ứng dụng siêu tụ điện Nghiên cứu này nhằm tìm kiếm giải pháp thay thế ắc-quy bằng siêu tụ điện để tích trữ năng lượng điện mặt trời, phục vụ cho các ứng dụng công suất thấp như đèn chiếu sáng, đèn cảnh báo, và cung cấp nguồn cho thiết bị điện tử quan trắc môi trường, cũng như các cảm biến công nghiệp trong môi trường độc hại Bên cạnh đó, siêu tụ điện còn có thể thay thế bình ắc-quy cho xe gắn máy, một phương tiện rất phổ biến tại Việt Nam.
Siêu tụ điện có nhược điểm là khả năng lưu trữ điện năng không lâu do hiện tượng rò điện nội bộ giữa hai cực Một giải pháp tối ưu hiện nay là kết hợp sử dụng cả siêu tụ điện và ắc quy song song trong một số trường hợp.
Nguồn điện tái tạo như pin mặt trời và năng lượng gió sản xuất điện năng, trong khi siêu tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng ngay lập tức và từ từ nạp vào ắc quy Điều này giúp ắc quy luôn được nạp đầy đủ, đảm bảo cung cấp điện liên tục và kéo dài tuổi thọ của ắc quy, vì ắc quy dễ hỏng nếu không được nạp đầy đủ hoặc để cạn kiệt.
PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾ
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện theo thời gian 9 2 Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện ở các quốc gia 10 3 Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về siêu tụ điện theo các hướng nghiên cứu
Theo dữ liệu từ CSDL sáng chế Derwent Innovation, từ năm 1967 đến nay, đã có khoảng 8.129 sáng chế liên quan đến siêu tụ điện được đăng ký Đặc biệt, vào năm 1967, sáng chế đầu tiên về "Bộ siêu tụ điện trạng thái rắn của ion" đã được bảo hộ tại Mỹ với số đơn US1967655975A, tác giả là O Raleigh Douglas.
Trong hai thập niên đầu của thế kỷ 20, đặc biệt là những năm 70 và 80, là giai đoạn tiền nghiên cứu về siêu tụ điện Trong thời kỳ này, số lượng sáng chế đăng ký liên quan đến nghiên cứu siêu tụ điện không nhiều, trung bình chỉ khoảng 7 sáng chế mỗi năm.
Sang thập niên 90, lượng sáng chế đăng ký về nghiên cứu siêu tụ điện tăng nhẹ, trung bình mỗi năm có khoảng 48 sáng chế đăng ký
Từ năm 2000 đến nay, số lượng sáng chế đăng ký liên quan đến nghiên cứu siêu tụ điện đã tăng mạnh, bắt đầu từ 221 sáng chế vào năm 2000 và đạt đỉnh 796 sáng chế vào năm 2014 Trong giai đoạn 2012-2015, số lượng sáng chế đăng ký về siêu tụ điện tiếp tục duy trì ở mức cao.
700 sáng chế – điều này cho thấy tiềm năng rất lớn của siêu tụ điện
Lượng sáng chế đăng ký 742 737 796 780
Hình 3: Tình hình đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện theo thời gian
2 Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện ở các quốc gia
Hiện nay, sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện được đăng ký bảo hộ ở khoảng
Trên toàn cầu, có 48 quốc gia và 2 tổ chức quốc tế (WO - tổ chức thế giới với 762 sáng chế, EP - tổ chức châu Âu với 498 sáng chế) tham gia vào việc đăng ký bảo hộ sáng chế Trong số đó, năm quốc gia dẫn đầu về số lượng sáng chế đăng ký là Trung Quốc với 2.356 sáng chế, Mỹ với 1.335 sáng chế, Nhật Bản với 1.313 sáng chế, và Hàn Quốc.
636 SC, Đài Loan: 201 SC Trong 5 quốc gia dẫn đầu về số lượng sáng chế đăng ký bảo hộ thì có đến 4 quốc gia thuộc khu vực Châu Á
Hình 4: Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện ở các quốc gia
Trong lĩnh vực sáng chế siêu tụ điện, Trung Quốc dẫn đầu về số lượng đăng ký bảo hộ, nhưng Mỹ là quốc gia đầu tiên có sáng chế được bảo hộ vào năm 1967 Nhật Bản theo sau với một sáng chế đăng ký vào năm 1969 Trung Quốc ghi nhận hai sáng chế vào năm 1985, trong khi Hàn Quốc có một sáng chế đăng ký vào năm 1986 Cuối cùng, Đài Loan cũng tham gia vào lĩnh vực này với hai sáng chế được bảo hộ vào năm 1994.
Từ năm 1969 đến 1985 và từ 1986 đến 1994, nhiều quốc gia như Đức, Pháp, Rumania, Anh, Đan Mạch, Canada, Thụy Sĩ, Hungary, Tây Ban Nha, Israel và Singapore đã đăng ký sáng chế đầu tiên về siêu tụ điện.
Nơi đăng ký bảo hộ Năm sáng chế đầu tiên đăng ký
Trung Quốc, mặc dù đứng sau Mỹ, Nhật Bản và nhiều quốc gia khác về số lượng sáng chế đăng ký bảo hộ, đã chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng trong lĩnh vực này Đặc biệt, trong 5 năm qua (từ 2012 đến nay), Trung Quốc trung bình ghi nhận khoảng 350 sáng chế đăng ký bảo hộ liên quan đến siêu tụ điện mỗi năm.
Hình 5: Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện tại Trung Quốc theo thời gian
3 Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về siêu tụ điện theo các hướng nghiên cứu
Từ 8.129 sáng chế nghiên cứu về siêu tụ điện, khi đưa vào bảng phân loại sáng chế quốc tế IPC (International Patent Classification), nhận thấy 2 hướng nghiên cứu tập trung nhiều sáng chế đăng ký:
- Hướng nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện bằng các công nghệ: o Hóa vô cơ: o Hóa hữu cơ o Hợp chất cao phân tử hữu cơ o Nano
Nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện chủ yếu tập trung vào hai lĩnh vực: hệ thống cung cấp và phân phối năng lượng điện, cũng như cung cấp điện năng cho các thiết bị phụ trợ trong phương tiện vận tải như phanh điện và mô-tơ điện Hướng nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện được phát triển theo bốn công nghệ chính.
Tính đến nay, có 2.264 sáng chế liên quan đến công nghệ hóa vô cơ, hữu cơ, hợp chất cao phân tử hữu cơ và công nghệ nano Đặc biệt, ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo siêu tụ điện bắt đầu từ năm 1997 với sáng chế đầu tiên liên quan đến màng BaTiO3 cấu trúc nano, cho phép lưu trữ điện từ 1.000 đến 10.000 lần và có dung lượng ≥ 0,3 Farad/cm³ Từ năm 2012, số lượng sáng chế về ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo siêu tụ điện ngày càng gia tăng, phản ánh xu hướng nghiên cứu trong lĩnh vực này Hai lĩnh vực có số lượng sáng chế đăng ký nhiều nhất liên quan đến siêu tụ điện là hệ thống cung cấp/phân phối năng lượng điện và cung cấp điện năng cho các thiết bị phụ của phương tiện vận tải, như phanh điện và động cơ điện Trong lĩnh vực cung cấp/phân phối năng lượng điện, có khoảng 675 sáng chế được đăng ký, tập trung vào nghiên cứu các thiết bị nạp, phóng điện, sạc cho pin và ắc quy, cũng như các thiết bị cung cấp điện áp cao.
Trong giai đoạn từ 2012 đến 2015, các nghiên cứu về sáng chế tại 5 quốc gia hàng đầu cho thấy sự gia tăng đáng kể về số lượng đơn đăng ký sáng chế Những năm này đánh dấu thời kỳ bùng nổ trong hoạt động sáng chế, phản ánh sự đổi mới và phát triển công nghệ mạnh mẽ.
Giữa năm 2012 và 2015, các quốc gia như Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan chủ yếu tập trung vào nghiên cứu và phát triển siêu tụ điện, trong khi tỷ lệ nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện lại chiếm phần nhỏ hơn.
Tại Trung Quốc và Mỹ, các sáng chế được đăng ký chủ yếu tập trung vào nghiên cứu và phát triển siêu tụ điện, sử dụng công nghệ hóa vô cơ và công nghệ nano.
Tại Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan, các sáng chế được đăng ký chủ yếu tập trung vào nghiên cứu và phát triển siêu tụ điện với ứng dụng công nghệ hóa vô cơ.
Hình 6: Các hướng nghiên cứu của sáng chế đăng ký về siêu tụ điện tại 5 quốc gia dẫn đầu về lượng sáng chế trong giai đoạn từ năm 2012-2015
Trong 5 năm qua, tình hình đăng ký sáng chế liên quan đến nghiên cứu siêu tụ điện trên toàn cầu đã có sự phát triển mạnh mẽ, đặc biệt tại Trung Quốc Hầu hết các sáng chế được đăng ký ở Trung Quốc chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo siêu tụ điện bằng công nghệ hóa vô cơ và nano.
Giới thiệu một số sáng chế
Vào ngày 02/07/2012, một sáng chế từ Pháp với số đơn VN20134154A đã được nộp tại Việt Nam, có số đơn ưu tiên FR20112075A từ ngày 01/07/2011 Sáng chế này liên quan đến bộ thu dòng cho hệ thống lưu trữ năng lượng điện, cụ thể là siêu tụ điện Bộ thu được thiết kế với lớp dẫn điện che chắn, trong đó trọng lượng chất khô của ma trận copolymer dao động từ 30 đến 85% Tỷ lệ trọng lượng chất khô của chất dẫn điện trong lớp che chắn từ 15 đến 70%, và tổng trọng lượng của chất kết dính rắn đạt 100%, giúp tối ưu hóa độ bền và tính dẫn điện của điện cực Các chất lót dẫn được lựa chọn từ ống nano cacbon đen, than chì và cacbon.
Phương pháp sản xuất thiết bị siêu tụ điện kích thước micro công nghệ nano dựa trên cấu trúc đa cực polyaniline được hỗ trợ graphene
Sáng chế đề cập đến vật liệu điện cực gồm:
- Vàng: là một bộ thu làm lớp đầu tiên của vật liệu điện cực, có độ dày 10-20 nanomet;
- Graphene xốp: được gắn vào lớp vàng, là lớp thứ hai của vật liệu điện cực, có độ dày từ 20-40 nanomet;
- Polyaniline: được phủ trên graphene xốp và là lớp bề mặt của vật liệu điện cực, có độ dày từ 20-40 nanomet
Siêu tụ điện này có khả năng lưu trữ năng lượng lớn và dẫn điện cao, giúp tăng cường công suất và mật độ năng lượng của thiết bị.
Phương pháp sản xuất siêu tụ điện sử dụng hợp chất graphene ba chiều làm vật liệu điện cực
Hợp chất graphene ba chiều làm vật liệu điện cực, bao gồm:
- Một kim loại chuyển tiếp hydroxit dạng nano
- Một oxit kim loại chuyển tiếp
- một polymer dẫn điện được hấp phụ lên bề mặt của bọt graphene ba chiều
Siêu tụ điện sử dụng cấu trúc nhựa tạo bọt từ khung graphene mỏng để nâng cao công suất tĩnh điện và mật độ năng lượng Thiết kế này không chỉ giúp giảm trọng lượng mà còn tối ưu hóa khả năng lưu giữ cấu trúc nano.
Phương pháp và hệ thống phục hồi năng lượng lưu trữ phanh của đường sắt đô thị dựa trên siêu tụ điện
Phương pháp kết nối lưới điện trực tiếp của đường sắt đô thị bao gồm việc sử dụng một bộ phận cắt (chopping unit) và một bộ phận siêu tụ.
- bộ phận cắt bao gồm hai mô-đun cắt hai chiều được nối liền nhau hoặc song song;
Mô-đun cắt hai chiều được kết nối trực tiếp vào lưới điện và siêu tụ, giúp kiểm soát quá trình sạc và xả của siêu tụ Sáng chế này nổi bật với khả năng phục hồi và cung cấp lại năng lượng phanh cho hệ thống đường sắt đô thị, đồng thời có thể áp dụng cho các mạng lưới đường trục điện với điện áp 1500V/750V.
Phương pháp kiểm soát điện áp cao siêu tụ điện
Phương pháp kiểm soát số lượng siêu tụ trong hệ thống ngân hàng siêu tụ điện dựa trên nguyên tắc điện áp cao nhất Việc kiểm soát điện áp đầu ra của ngân hàng siêu tụ thông qua nguyên lý cộng hưởng cho phép điện áp của siêu tụ đạt gấp đôi điện áp đầu vào trong thời gian cộng hưởng.
Bộ kiểm soát năng lượng cho siêu tụ điện
Bộ kiểm soát năng lượng gồm:
W: thiết bị ổn định điện áp
Các siêu tụ, động cơ, ống chuyển mạch và điện trở mẫu được kết nối theo chuỗi để tạo thành mạch chính Đầu ra tín hiệu nối với điện cực kích hoạt của ống chuyển mạch qua điện trở đầu ra, trong khi thiết bị báo được kết nối với điện trở mẫu Điện trở mẫu được kết nối song song với tụ lọc, và động cơ cũng được kết nối song song với diode bánh xe Đầu Vcc của thiết bị báo nối với siêu tụ qua thiết bị ổn định điện áp, và điểm cuối của thiết bị báo được kết nối với GND thông qua công tắc.
Mục tiêu của sáng chế là phát triển bộ kiểm soát năng lượng cho siêu tụ, giúp động cơ hoạt động một cách trơn tru và ổn định trong các điều kiện có thể điều chỉnh.
GIỚI THIỆU SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO MỚI PHÁT TRIỂN TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI – BAN QUẢN LÝ KHU CÔNG NGHỆ CAO TP.HCM
Giới thiệu siêu tụ điện dẻo công nghệ Nano
Nhu cầu thay thế pin truyền thống trong thiết bị điện tử cầm tay và đeo đã thúc đẩy nghiên cứu về siêu tụ dẻo Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Munir Nayfeh dẫn đầu đã phát triển siêu tụ dẻo với điện cực composite CNT-polyaniline và chất điện giải polyvinyl alcohol (PVA), đạt mật độ công suất 0.004 đến 0.2 kW/kg và mật độ năng lượng 0.3 đến 0.6 Wh/kg Mặc dù kết quả này còn khiêm tốn do phương pháp chế tạo đơn giản, nhóm từ đại học Thanh Hoa đã cải thiện hiệu suất bằng cách điện hóa polymer PANI trực tiếp trên mạng CNTs Để nâng cao khả năng lưu trữ điện, có thể tích hợp hạt nano Silic, đã được chứng minh là hiệu quả trong công nghệ pin Lithium Nhóm của Giáo sư Nayfeh cũng đã xác nhận giả thuyết này bằng cách trộn nano Si với polyaniline, tạo ra composite có điện dung cao hơn.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển siêu tụ điện dẻo hiệu năng cao bằng cách tích hợp các hạt nano silic và polyaniline (PANI) trên mạng carbon nanotubes (CNT) thông qua quá trình điện hóa Việc sử dụng công nghệ điện hóa hứa hẹn mang lại kết quả vượt trội so với phương pháp khuấy trộn – quét mà nhóm giáo sư Nayfeh đã thực hiện Kết quả nghiên cứu sẽ so sánh hiệu suất của hệ composite nano Si, PANI và CNTs để đánh giá tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực điện cực.
Ngoài nano Silic, V2O5 là một vật liệu tiềm năng để lắng đọng lên màng xốp CNTs-PANI V2O5 đã được nghiên cứu và ứng dụng trong tụ điện theo cơ chế giả điện dung từ lâu, đồng thời cũng được ưa chuộng trong việc chứa ion Li+ cho pin.
Vanadium không chỉ có giá thành thấp mà còn sở hữu dải hóa trị rộng và trọng lượng phân tử nhỏ, điều này giúp nâng cao mật độ lưu trữ điện dung Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức lớn cần phải vượt qua.
V2O5 có tuổi thọ phóng nạp và khả năng dẫn điện thấp, do điện tích chỉ có thể lưu trữ trong một lớp mỏng trên bề mặt oxit Để tăng hiệu quả, oxit cần được chế tạo với bề mặt riêng cao và dựa trên các vật liệu dẫn điện tốt như mạng CNTs-PANI Để thương mại hóa siêu tụ dựa trên V2O5, chu kỳ phóng nạp cần được cải thiện Nghiên cứu gần đây cho thấy chất điện giải từ polymer có thể nâng cao tuổi thọ phóng nạp của V2O5 Do đó, siêu tụ dẻo từ mạng composite CNTs-PANI-V2O5 và chất điện giải dẻo PVA được kỳ vọng sẽ có mật độ năng lượng và công suất cao cùng với tuổi thọ dài.
Kết quả kiểm tra sản phẩm siêu tụ điện công nghệ nano so với các sản phẩm thương mại trên thị trường hiện nay
2.1 Hình ảnh siêu tụ điện Ảnh chụp mẫu stack siêu tụ điện ghép lưỡng cực, với kích thước chưa thu gọn:
Hình 7 thể hiện một tụ điện đơn với kích thước 12 cm² và 3 lớp Đèn LED xanh dương, hoạt động với điện áp khoảng 3V, đã được siêu tụ điện nạp đầy, cho thấy điện áp của tụ điện đã vượt quá 3V.
Hình 7: Hình ảnh stack siêu tụ điện ghép bipolar 3 lớp
2.2 Kiểm tra điện dung và điện áp Để kiểm tra các tính chất điện hóa như điện dung, điện áp làm việc, phản ứng oxi hóa khử, phép đo quét thế vòng là phương pháp hữu hiệu để đánh giá Đường cong quét thế vòng ở 10 mV/s, từ -3 V đến 3 V của stack siệu tụ được thể hiện trên hình 8 Dòng điện trung bình khi nạp/xả tụ điện là ~34 mA Do đó, điện dung trung bình (C = I/s) đạt khoảng 3,4 F Trong vùng phóng nạp -3V đến 3V, không có sự đột biến của dòng điện, chứng tỏ điện áp làm việc của tụ đạt hơn 3V Phần đuôi cong lên ở gần 3 V và cong xuống ở gần -3 V có thể là do tác động của dòng rò
Hình 8: Đặc trưng CV ở tốc độ quét 10mV/s của stack siêu tụ
2.3 Kiểm tra tuổi thọ nạp xả Điện dung của pin, ắc quy thường bị giảm dần theo số lần phóng nạp Siêu tụ điện cũng có hiện tượng như vậy, mặc dù sự suy giảm nhỏ hơn rất nhiều Để kiểm tra điều này, stack siêu tụ điện được nạp xả với tốc độ cao (100 mV/s) trong 500 vòng và đồ thị dòng điện với thời gian được thể hiện như trên hình 9 Điện dung của siêu tụ tỷ lệ với dòng điện Từ đồ thị, ta có thể thấy đ iện dung giữ được 82% sau 500 vòng nạp xả Sự suy giảm này chủ yếu là do các phản ứng bất thuận nghịch thường xảy ra ở các chu kỳ đầu phóng nạp Càng về sau, sự suy giảm càng nhỏ dần
Sự suy giảm hiệu suất của siêu tụ có thể do tạp chất lắng đọng trên bề mặt điện cực, làm giảm khả năng tích trữ điện tích Thêm vào đó, sự thoái hóa của vật liệu điện cực cũng góp phần quan trọng vào vấn đề này Để khắc phục, quy trình chế tạo cần được thực hiện với nguyên vật liệu sạch sẽ và cẩn thận, nhằm tránh ăn mòn và thoái hóa điện cực Nhờ đó, tuổi thọ của siêu tụ đã được cải thiện đáng kể, như minh chứng trong hình 9, khi phóng nạp 1560 lần nhưng vẫn duy trì 99% dòng điện.
Hình 9: Đặc trưng dòng điện quét kiểm tra tuổi thọ nạp xả
2.4 Kiểm tra lưu giữ điện áp trong 1 ngày Để kiểm tra khả năng giữ điện áp, stack siêu tụ được nạp đến 3V và giữ trong
Trong 20 phút, sự biến thiên điện áp trong một ngày khi không tải được ghi nhận Sau khi ngừng nạp, điện áp duy trì ở mức khoảng 2,8 V và giảm dần xuống còn 0,6 V trong suốt 24 giờ Sự suy giảm điện áp nhanh chóng ban đầu chủ yếu do ảnh hưởng của nội trở.
Sự suy giảm về sau do dòng rò và sự phân bố lại điện tích bên trong điện cực siêu tụ điện
Hình 10: Sự sụt điện áp của stack siêu tụ do hiện tượng tự xả
2.5 Kiểm tra nhiệt độ làm việc
Khi siêu tụ điện được giảm nhiệt độ xuống 0°C bằng cách ngâm trong nước đá tan, điện áp lưu trữ của nó cao hơn so với điều kiện nhiệt độ phòng Hình 11 cho thấy điện áp của stack siêu tụ đạt 3,2 V sau khi nạp nhanh đến 3,3 V Hiện tượng này xảy ra do ở nhiệt độ lạnh, sự khuếch tán của các ion diễn ra chậm hơn, dẫn đến việc rò rỉ điện tích qua lớp bề mặt tiếp xúc giữa điện cực và chất điện giải giảm thiểu.
Và do đó, siêu tụ điện giữ được điện áp cao hơn
Hình 11: Thí nghiệm kiểm tra nhiệt độ làm việc và kết quả
2.6 Nội trở và mạch điện tương đương
Công suất của siêu tụ là lượng năng lượng mà nó giải phóng hoặc thu nạp trong một đơn vị thời gian, và có thể thay đổi tùy thuộc vào tải tiêu thụ hoặc nguồn nạp Công suất được tính toán theo một công thức nhất định.
Trong đó P là công suất, i là dòng điện và u là điện áp ngoài của siêu tụ trong lúc làm việc
Công suất của siêu tụ không phải là vô hạn, ngay cả khi tải tiêu thụ đạt mức tối đa, do công suất bị giới hạn bởi điện áp tối đa (V) và nội trở (ri) của siêu tụ Khi nội trở (r) giảm, điện áp (u) cũng sẽ giảm theo.
Khi siêu tụ có điện áp tối đa, công suất của tụ như sau:
Công suất của siêu tụ đạt tối đa khi r = ri
Công suất của siêu tụ càng lớn thì càng có giá trị trong nhiều ứng dụng như khởi động động cơ, ổn định mạng lưới điện và điều khiển các thiết bị Để xác định công suất tối đa của siêu tụ, việc đo nội trở ri là cần thiết Phương pháp đo phổ tổng trở được áp dụng để đo r i và nghiên cứu các đặc tính điện/điện hóa của siêu tụ.
Phổ tổng trở của một stack ghép lưỡng cực được trình bày trong Hình 12, cho thấy kết quả đo điện trở thực và ảo của tụ điện ở tần số từ 10.000 Hz đến 100 mHz với điện áp dao động +/- 10 mV Phần ảo thể hiện dung kháng, trong khi phần thực là điện trở Ohmic Hình ảnh cho thấy một số điểm ở điện trở ảo âm, cho thấy siêu tụ có tính cảm kháng, có thể do nhiễu ở tần số cao Vòng bán nguyệt xuất hiện với các điểm đầu và cuối gần trục hoành, có điện trở thực khoảng 0,2 Ohm và 0,29 Ohm Ở tần số cao, dung kháng gần bằng 0.
Khi tụ điện chỉ còn lại trở kháng Ohmic (Rs), nó bao gồm điện trở của điện cực, dây dẫn, mối nối và điện trở của ion trong dung dịch điện giải Sự hình thành của vòng bán nguyệt có thể được giải thích dựa trên hai loại điện dung của vật liệu điện cực, bao gồm điện dung double-layer (C0) và giả điện dung (Cs) Điện dung double-layer là điện dung tĩnh điện giữa bề mặt vật liệu và lớp tiếp xúc điện giải, trong khi giả điện dung xuất hiện do phản ứng oxi hóa khử giữa vật liệu điện cực và dung dịch điện giải, kèm theo một điện trở Faradaic trao đổi điện tích (Rct) nối tiếp.
Mạch điện tương đương có thể được hình dung bao gồm điện trở Rs nối tiếp với một cụm hai mạch song song là C0 và Cs nối tiếp với Rct Khi siêu tụ được đặt dưới một dao động điện, nó tạo ra dạng sóng các lớp hạt tích điện trong dung dịch và trong điện cực làm việc Do đó, cần xem xét thành phần Cs nối tiếp với Rct.
Rct có thể được mô tả qua cấu trúc mạch Warburg Circuit (Wo) Từ mạch tương đương này, chúng ta có thể chuẩn hóa mô hình và tính toán các thông số vật lý, hóa học của siêu tụ điện bằng phần mềm Zview Đối với siêu tụ trong hình 13a, điểm giao của vòng bán nguyệt với trục hoành tại điện trở Ohmic 0,2 và 0,29 Ohm tương ứng với Rs và Rs + Rct, cho thấy nội trở (Rs + Rct) của siêu tụ đạt 0,29 Ohm.
Hình 12: Phổ tổng trở của siêu tụ
Hình 13: Phổ tổng trở và mô hình mạch điện tương đương
2.7 So sánh các thông số Stack bipolar 3 tụ
Khi đo đạc nội trở ri = Rs + Rct của siêu tụ điện, chúng ta có thể tính toán được công suất riêng cực đại của siêu tụ.
Các thông số của stack siêu tụ như sau:
Mật độ năng lượng và công suất tính được như sau:
Hình 14: Giản đồ Ragon so sánh các thông số năng lượng và công suất
Trong giản đồ Ragone, siêu tụ điện nổi bật với vai trò quan trọng về năng lượng và công suất, đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng hiện nay nhờ vào mật độ công suất và mật độ năng lượng cao Các stack siêu tụ hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện nhiệt độ và có tuổi thọ nạp xả dài, phù hợp cho nhiều ứng dụng Mặc dù tụ điện hóa học (EC) thương mại không đạt mật độ năng lượng cao như pin, nhưng lại có mật độ công suất vượt trội, cho phép sạc và xả nhanh chóng trong vài giây EC cũng có tuổi thọ lên đến hơn 1 triệu chu kỳ nạp xả, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường và có khả năng tái chế, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị từ 5 đến 10 kg.