CHƯƠNG 3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NANO CARBON
3.1 Pin lưu trữ điện năng dựa trên các ống nano carbon
Các nhà nghiên cứu ở Hoa Kỳ đã chế tạo thành công kiểu pin lưu trữ điện bằng cách sử dụng một mạng lưới ngẫu nhiên các ống nano carbon (carbon nanotubes – CNT).
Linh kiện có đặc tính lưu trữ năng lượng cao. [8]
3.1.1 Kỹ thuật chế tạo
Linh kiện có thể chế tạo bằng kỹ thuật “roll-to-roll” hay kỹ thuật xử lí in phun.
Tức là kỹ thuật sản xuất linh kiện này có thể tương thích với những đặc tính của “điện tử in ấn” (printed electronics). Các linh kiện điện tử “in ấn”, hay “chất dẻo” là các linh kiện được tạo ra bằng cách sử dụng các quá trình in ấn đơn giản và có thể in trên hầu hết các bề mặt kể cả vải thô. Nhưng các pin truyền thống không tương thích với các linh kiện kiểu này, như các thẻ thông minh, báo điện tử, các thiết bị y tế hay các linh kiện điện tử có thể choàng trên người.
Vật chất trộn đều với dây nano có độ âm cực mạnh hơn Chất tách (+chất điện phân)
Vật chất trộn đều với dây nano có độ dương cực mạnh hơn
Mạng dây nano (tích nạp)
Vật chất trộn đều với ống nano carbon có độ âm cực mạnh hơn
Chất tách (+chất điện phân)
Vật chất trộn đều với dây nano có độ dương cực được tích nạp
Hình 3.1 Các mạng lưới ngẫu nhiên của ống CNT tạo nên cơ cấu của pin lưu trữ năng lượng
Nhóm nghiên cứu gồm George Gruner và Andreas Kiebele đã phát triển một kiến trúc pin ắc quy dựa trên các phần tử ở kích cỡ nanomet, ví dụ : ống CNT hay các dây nano khác được tổ hợp bởi các vật liệu tích cực có thể cung cấp năng lượng cho pin. Các dây nano tạo nên một mạng lưới xuyên sâu mỏng hay các màng mỏng, được sử dụng như các điện cực và các bộ góp điện cho thiết bị. "Chúng tôi đã lợi dụng ba thuộc tính quan trọng của mạng lưới này đó là: độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt lớn và độ dẻo dai về mặt cơ học" - Gruner giải thích.
Trong các thiết kế mới, bộ góp điện tích - thường được chế tạo từ các tấm kim loại, các mắt lưới hay các màng mỏng trong các pin truyền thống - đã được thay thể bởi một mạng lưới ngẫu nhiên của các ống nano carbon (CNT). Cơ cấu này cung cấp điện tích cần thiết vận chuyển đến các điện cực của thiết bị. "Các pin này cũng tương tự như các pin truyền thống, với khả năng hoạt động tương tự, nhưng với diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, các mạng lưới cho phép chúng ta có thêm nhiều lợi thế từ các tính chất tuyệt vời của vật liệu ở kích cỡ nanomet"- Gruner bổ sung.
3.1.2 Ứng dụng :
-Tạo ra các siêu tụ điện, các thế hệ linh kiện lưu trữ mới. Ở đây, các điện cực (thông thường sử dụng than chì) cũng đã được thay thế bởi CNT. Các linh kiện này phóng điện cực nhanh nhưng khả năng lưu trữ thì có vẻ nhỏ hơn một chút. Chúng được chế tạo từ nhiều loại vật liệu nano khác nhau và sử dụng cùng kỹ thuật chế tạo và tạo thành một cặp rất mạnh, có khả năng cung cấp năng lưọng cho nhiều loại linh kiện điện tử khác nhau.
- Ứng dụng của loại linh kiện mới này có thể trải rộng từ lĩnh vực y tế (kiểm tra sức khỏe, dẫn thuốc...) cho đến an ninh (trong các thẻ thông minh RFID). Nó cũng có thể tích hợp với các màng mỏng cơ cấu pin mặt trời cho cơ cấu lưu trữ năng lượng mặt trời.
Một ứng dụng triển vọng của SWNTs là trong các tấm pin mặt trời, do tính chất hấp thu tốt UV/Vis-NIR. Pin mặt trời được nghiên cứu tại New Jersey Institute of Technology sử dụng phức hợp CNTs, tạo thành từ một hỗn hợp CNTs và carbon buckyball (fullerene) để tạo ra các kết cấu giống con rắn. Buckyball sẽ nhốt các electron, nhưng không thể dẫn truyền electron. Tia mặt trời sẽ kích hoạt polymer và buckyball sẽ nhốt lấy electron.
CNTs hoạt động như các sợi dây đồng, sau đó sẽ dẫn truyền electron tạo ra dòng điện.
Các nghiên cứu tiếp tục tiến hành để tạo ra các tấm pin năng lượng mặt trời dạng lai SWNT (SWNT hybrid solar panel) để làm tăng hiệu năng thêm nữa. Các tấm tích hợp này được tạo ra bằng cách kết hợp SWNT với chất cho điện tử để làm tăng sự sinh electron. Người ta nhận thấy rằng tương tác giữa các hợp chất hữu cơ sinh electron và SWNT tạo ta các cặp electron lỗ trống trên bề mặt SWNT. Hiện tượng này được quan sát bằng thực nghiệm, và đưa vào ứng dụng thực tiễn làm tăng hiệu suất lên 8,5%.
Hình 3.2 Sản phẩm thử nghiệm (G. Gruner & Natotechweb.org). [11]
3.1.3 So sánh với pin truyền thống:
Trong các thiết kế mới, bộ góp điện tích đã được thay thế bởi một mạng lưới ngẫu nhiên của các ống CNT. Cơ cấu này cung cấp điện tích cần thiết vận chuyển đến các điện cực của thiết bị. “Các pin này cũng tương tự như các pin truyền thống, với khả năng hoạt động tương tự, nhưng với diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, các mạng lưới cho phép chúng ta có thêm nhiều lợi thế từ các tính chất của vật liệu ở kích cỡ nanomet”
Gruner. [9]
3.1.4 Siêu tụ điện:
Các nhà khoa học tại LEES thuộc Viện công nghệ MIT (Mỹ) đã sử dụng cấu trúc ống nano để cải thiện hiệu quả của các thiết bị lưu năng lượng, còn gọi là “siêu tụ điện”
(ultra-capacitor).
Phòng thí nghiệm hệ thống điện và điện từ MIT sử dụng CNTs để nâng cấp các siêu tụ điện. Than chì hoạt hóa được dùng trong các siêu tụ điện thông thường có các khoảng không rỗng nhỏ với nhiều kích thước khác nhau, điều này tạo ra bề mặt lớn để tích trữ điện năng. Nhưng khi điện tích được lượng tử hóa thành các hạt điện tích sơ cấp như electron và mỗi hạt điện tích cần một không gian tối thiểu không có bề mặt điện cực đủ lớn để lưu trữ vì khoảng không gian trống không đủ cho các hạt mang điện. Với điện cực bằng CNTs kích cỡ sẽ được làm cho thích hợp – tình trạng quá to hay quá nhỏ sẽ giảm đi – và hiệu năng tăng lên đáng kể.
Đặc điểm : Các tụ điện được xạc theo kiểu tuabin (turbo) này lưu năng lượng dưới dạng điện trường nên có hiệu suất cao hơn so với pin thông thường vốn lấy điện ở các phản ứng hóa học.
Thông thường, các siêu tụ điện đem đến khả năng bổ sung năng lượng nhanh nhưng lại có hạn chế lớn là kích thước to hơn nhiều pin thường. Sản phẩm của Trung tâm LEES khắc phục hạn chế này bằng cách lưu các điện trường ở cấp độ nguyên tử. Điều
này làm tăng khả năng lưu điện của các thương phẩm ultra-capacitor hiện nay thông qua việc sử dụng các ống nano carbon một lớp (single wall), xếp hàng thẳng đứng với tỷ lệ 30/1000 đường kính một sợi tóc.
Cấu trúc này đem đến khả năng nạp điện cực lớn vì mức lưu năng lượng trong một trụ siêu tụ điện tương ứng với diện tích bề mặt của các điện cực. Các ultra-capacitor hiện nay sử dụng điện cực làm từ carbon hoạt hóa, có rất nhiều lỗ nhỏ li ti và diện tích bề mặt lớn. Tuy nhiên, các lỗ nhỏ nói trên trong carbon không giống nhau về hình dạng và kích thước và điều đó làm giảm hiệu suất lưu điện. Trong khi đó, các ống nano được xếp hàng thẳng đứng trong tụ điện của Trung tâm LEES có hình dạng đều nhau và có kích thước đường kính chỉ bằng chiều ngang vài nguyên tử. Kết quả có được là một diện tích bề mặt hiệu quả hơn nhiều, giúp tăng cường khả năng lưu điện.
Ƣu điểm :
Tăng khả năng lưu điện, hiệu suất cao hơn so với pin thông thường. Ngoài ra, các siêu tụ điện kiểu mới của LEES có thể được sản xuất với mọi kích thước theo công nghệ truyền thống.
Siêu tụ điện dùng công nghệ ống nano sẽ kết hợp được cả tuổi thọ và các đặc tính hiệu suất cao của ultra-capacitor thương mại trên thị trường với mật độ lưu điện cao mà chỉ pin hóa chất hiện nay mới có.