Siêu tụ điện siêu nhỏ mới thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng vượt trội và tiềm năng mang đến một cuộc cách mạng về nguồn cung cấp năng lượng cho thiết bị. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một siêu tụ điện siêu nhỏ vượt trội hơn tất cả các mẫu hiện có trên thị trường về khả năng lưu trữ và độ nhỏ gọn. Thiết kế của nó kết hợp các bóng bán dẫn hiệu ứng trường với các lớp molypden disulfide và graphene để tăng điện dung lên mức ấn tượng 3.000% trong một số điều kiện nhất định.
Các nhà nghiên cứu từ Khoa Vật lý Dụng cụ và Ứng dụng (IAP) của Viện Khoa học Ấn Độ (IISc) đã thiết kế một loại siêu tụ điện siêu vi mới, một thiết bị cực nhỏ có khả năng lưu trữ lượng điện tích lớn. Nó nhỏ hơn và gọn hơn các siêu tụ điện hiện có và có thể được sử dụng trong các thiết bị từ đèn đường đến thiết bị điện tử tiêu dùng, xe điện và thiết bị y tế.
Hiện tại, hầu hết các thiết bị này đều chạy bằng pin. Tuy nhiên, theo thời gian, những viên pin này mất khả năng tích điện và do đó có thời hạn sử dụng hạn chế. Tụ điện, nhờ thiết kế của chúng, có thể lưu trữ điện tích trong thời gian dài hơn. Ví dụ, một tụ điện hoạt động ở điện áp 5 volt sẽ vẫn hoạt động ở cùng điện áp mười năm sau. Nhưng không giống như pin, siêu tụ điện không thể phóng điện liên tục, chẳng hạn như để cấp nguồn cho điện thoại di động.
Mặt khác, siêu tụ điện kết hợp các ưu điểm của pin và tụ điện, vừa có thể lưu trữ vừa giải phóng một lượng lớn năng lượng, khiến chúng trở nên phổ biến trong các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo.
Trong nghiên cứu được công bố gần đây trên ACSE Energy Letters, các nhà nghiên cứu đã tạo ra siêu tụ điện bằng cách sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) làm bộ thu điện thay vì điện cực kim loại được sử dụng trong các tụ điện hiện có. Abha Misra, giáo sư tại IAP và là tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường làm điện cực trong siêu tụ điện là một cách mới để điều chỉnh điện tích của tụ điện”.
Những đổi mới trong thiết kế tụ điện
Các tụ điện hiện tại thường sử dụng điện cực dựa trên oxit kim loại nhưng chúng bị hạn chế bởi độ linh động điện tử thấp. Vì vậy, Misra và nhóm của cô đã quyết định tạo ra các bóng bán dẫn hiệu ứng trường lai được tạo thành từ các lớp molybdenum disulfide (MoS2) và graphene dày vài nguyên tử xen kẽ để tăng độ linh động của điện tử, sau đó kết nối với các điểm tiếp xúc bằng vàng. Chất điện phân dạng gel rắn được sử dụng giữa hai điện cực FET để tạo nên siêu tụ điện trạng thái rắn. Toàn bộ cấu trúc được xây dựng trên nền silica/silicon.
Misra cho biết: "Thiết kế là phần quan trọng vì bạn đang tích hợp hai hệ thống. Hai hệ thống này là hai điện cực bóng bán dẫn hiệu ứng trường và chất điện phân dạng gel (môi trường ion), có khả năng tích điện khác nhau. Vinod Panwar, một trong những tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tại IAP, cho biết thêm: Việc chế tạo một thiết bị như vậy để đạt được tất cả các đặc tính mong muốn của bóng bán dẫn là một thách thức, Vinod Panwar, người chế tạo thiết bị này cho biết thêm một căn phòng sạch sẽ vì những siêu tụ điện này nhỏ đến mức không thể nhìn thấy chúng nếu không có kính hiển vi và quá trình chế tạo đòi hỏi độ chính xác cao cũng như sự phối hợp tay mắt. Nguồn: PragyaSharma
Hiệu suất và kế hoạch tương lai
Sau khi siêu tụ điện được sản xuất. được chế tạo, các nhà nghiên cứu đã đo điện dung hoặc khả năng giữ điện tích của thiết bị bằng cách áp dụng các điện áp khác nhau. Họ nhận thấy rằng công suất tăng 3.000% trong một số điều kiện nhất định. Trong khi đó, một tụ điện chỉ chứa MoS2 không có graphene chỉ tăng công suất thêm 18% trong cùng điều kiện.Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có kế hoạch khám phá xem liệu việc thay thế MoS2 bằng các vật liệu khác có thể cải thiện hơn nữa khả năng lưu trữ của siêu tụ điện hay không. Họ nói thêm rằng siêu tụ điện của họ có đầy đủ chức năng và có thể được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng như pin xe điện hoặc trong bất kỳ hệ thống thu nhỏ nào thông qua tích hợp trên chip. Họ cũng có kế hoạch cấp bằng sáng chế cho siêu tụ điện.