CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trong kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT), cùng với sự tăng trưởng mạnh mẽ về số lượng cảm biến và thiết bị điện tử không dây là sự phát triển của công nghệ liên quan như lưu trữ và cung cấp năng lượng [1][2]. Tuy nhiên, việc cung cấp năng lượng, sạc pin và thay thế cho một số lượng lớn cảm biến trở thành một thách thức lớn, cùng với vấn đề về ô nhiễm môi khi các nguồn năng lượng thông thường bao gồm cả pin hoặc tụ điện được sử dụng chứa nhiều kim loại nặng và dung môi độc hại [3]–[5]. Hơn nữa, các thiết bị điện hóa này thường nhạy với môi trường hoạt động khắc nghiệt, ví dụ như nhiệt độ cao. Đáng chú ý, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đã thúc đẩy việc thu nhỏ và giảm mức tiêu thụ điện năng của cảm biến IoT.
Đồng thời, sự phổ biến của năng lượng cơ học và dễ tiếp cận trong môi trường xung quanh cung cấp một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết nhu cầu năng lượng của thiết bị di động vi điện tử. Thiết bị phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator - TENG) là một trong những công nghệ có hiệu quả nhằm thu năng lượng cơ học chuyển đổi thành điện năng, được phát minh bởi Zhong Lin Wang (Viện Công Nghệ Georgia, Hoa Kỳ) vào năm 2012. TENG hoạt động dựa trên hiệu ứng điện ma sát và hiệu ứng cảm ứng tĩnh điện nhằm chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Trong đó, hiệu ứng điện ma sát là hiện tượng tạo ra điện tích giữa hai vật liệu khác nhau có ái lực bề mặt riêng biệt.
Khi chúng tiếp xúc với nhau thông qua ma sát, điện thế khác nhau được tạo ra do sự tách biệt của hai bề mặt vật liệu. Cho tới nay, công nghệ này đang thu hút được sự quan tâm lớn từ các tổ chức, cơ sở nghiên cứu, và phòng thí nghiệm lớn trên thế giới nhằm phát triển các ứng dụng mang tính cách mạng, chủ yếu dựa trên lĩnh vực cảm biến tự cấp nguồn, nguồn năng lượng micro/nano và thu hồi năng lượng quy mô lớn [6]. TENG có nhiều ưu điểm vượt trội như chế tạo đơn giản, gọn nhẹ, mềm dẻo, độ bền lâu dài, sử dụng được nhiều loại vật liệu, và hiệu suất thu năng lượng cao [7][8]. Đặc biệt, TENG có hiệu suất cao hơn nhiều các công nghệ khác khi thu năng lượng từ các nguồn 1 dao động cơ học không ổn định và có tần số thấp như chuyển động của con người [9][10], động cơ [11], gió [12] dòng chảy [13] hay sóng biển [14].
1 Các ứng dụng chính của thiết bị phát điện nano [6] Trong đó, thiết bị TENG ứng dụng trong các môi trường hoạt động nhiệt độ cao, môi trường hoạt động khắc nghiệt cũng đang được quan tâm nghiên cứu. Năm 2018, Zhin Wen và cộng sự đề xuất thiết kế phù hợp cho các thiết bị TENG ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt. Thiết bị có VOC tương ứng là 221 V và mật độ dòng điện là 27,9 µAcm2. Hơn nữa, do có khả năng cảm nhận rung động tốt, hệ thống phanh thông minh tự cung cấp năng lượng và cảm biến của ô tô được đã được chế tạo.
Hệ thống này có thể tự động cung cấp tín hiệu cảnh báo sớm và chính xác, chẳng hạn như lời nhắc thay phanh và cảnh báo cho sự quá tải và áp lực lớn của lốp. Nghiên cứu trên cho thấy một cách tiếp cận mới để nâng cao hiệu suất và áp dụng vật liệu ma sát cho các môi trường khắc nghiệt, cũng như ứng dụng tiềm năng trong xe tự hành và phanh công nghiệp [15]. Abdelsalam Ahmed và cộng sự vào năm 2019 đã chế tạo thiết bị TENG chống cháy 2 (FRTENG), có thể được sử dụng như một cảm biến chuyển động hoặc máy phát điện trong các môi trường chịu nhiệt độ cao như khoan dầu khí, chữa cháy hoặc làm việc ở những nơi khắc nghiệt. Thiết bị có độ bền nhiệt và đồng thời cũng thể hiện tính chất ma sát điện tuyệt vời của cấu trúc aerogel.
Các thiết bị được chế tạo cho ra VOC trong khoảng 80 V và mật độ dòng điện lên đến 25 µAm2. Khi được tích hợp vào giày, FRTENG có thể nhận biết các chuyển động của lính cứu hỏa trong các tình huống nguy hiểm, đồng thời cung cấp độ ổn định nhiệt cao không có trong các TENG thông thường [16]. Năm 2020, nhóm của Cheng đã tạo ra thiết bị phát điện nano dựa trên các loại vải dệt (T- TENGs). Kết hợp với vải dẫn điện chống cháy, phủ polytetrafluoroethylen tạo ra FT- TENG.
Nghiên cứu hướng tới việc tạo ra thiết bị có chi phí thấp và thân thiện với môi trường đồng thời có khả năng chống cháy và khả năng chuyển hoá năng lượng hiệu quả. Mật độ công suất tối đa của FT-TENG có thể đạt 343,19 mWm2 dưới tần số 3 Hz. Hơn nữa, FT-TENG vẫn giữ 49,2 % khả năng hoạt động ngay cả khi bị đốt cháy ở 17 vị trí khác nhau; và khả năng hoạt động ở nhiệt độ tới 220 °C. Nghiên cứu này có tiềm năng phát triển thành cách loại vải dệt thông minh đa chức năng trong việc chuyển hoá năng lượng, cảm biến tự cấp nguồn và an ninh, chống trộm, cảnh báo cháy [15].
Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của các thiết bị TENG chống cháy cũng gặp phải nhiều hạn chế do giá thành chế tạo cao, phương pháp chế tạo phức tạp. Ngoài ra, nhiều thiết bị TENG bị hạn chế khả năng hoạt động ở môi trường khắc nghiệt vì một số nhược điểm vốn có của vật liệu ma sát polyme – vật liệu phổ biến nhất cho TENG. Trong đó, polyimide (PI) được biết đến là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo có khả năng chịu nhiệt tốt nhất. Ngoài độ ổn định nhiệt, PI cũng sở hữu những ưu điểm đáng chú ý như độ bền cơ học và tính linh hoạt cao.
Điều này khiến PI trở thành vật liệu phù hợp sử dụng trong các thiết bị hoạt động ở môi trường nhiệt độ cao [17]. Trong công nghệ TENG, PI thể hiện tính chất như một vật liệu ma sát tích điện âm trong chuỗi vật liệu ma sát [18]. Tuy nhiên, do hạn chế trong việc gia công tạo cấu trúc, PI thường được sử dụng ở dạng màng phẳng, được biết đến với tên thương mại là Kapton®, điều này làm giảm hiệu suất của thiết bị TENG do diện tích bề mặt ma sát hiệu dụng thấp [19][20]. Nhiều nghiên cứu đã được đề xuất nhằm nâng cao khả hiệu quả phát điện của PI thông qua các phương pháp khác nhau, bao gồm cả phương pháp biến tính hóa học và biến 3 tính vật lý bao gồm chế tạo các bề nhám, bề mặt cấu trúc vi mô hoặc nano và màng cấu trúc xốp.
Về biến tính hóa học, Le và cộng sự đã thiết kế một loại PI mới bao gồm Bis(3- aminophenyl) Sulfone, cho ra thiết bị ma sát với công suất đầu ra cao hơn khoảng 7 lần so với TENG dùng Kapton® [21]. Gần đây hơn, các nhà nghiên cứu phát triển PI chứa fluoro nhằm tăng cường hiệu quả ma sát tĩnh điện, nâng cao hiệu suất điện 70% so với màng Kapton thương mại [22]. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn khám phá các phương pháp chế tạo cấu trúc xốp, chẳng hạn như chế tạo vật liệu aerogel PI có độ xốp cao bằng cách sử dụng phương pháp chất lỏng CO2 siêu tới hạn (super critical CO2 liquid). TENG sử dụng aerogel PI và sợi nano Polyamid đã tăng hiệu quả phát điện lên gấp 11 lần so với TENG dựa trên màng phẳng [23].
Nhóm của Zia và cộng sự cũng đã chứng minh rằng TENG dựa trên PI aerogel của họ đã tạo ra dòng điện tức tời cao gấp 8 lần so với khi sử dụng lớp PI phẳng [24]. Zhao và cộng sự cũng đã phát triển TENG thu hồi năng lượng gió dựa trên màng foam nanocomposite từ vật liệu PI/graphene, được chế tạo thông qua quá trình sấy đông khô (freeze drying). Thiết bị này có độ nhạy cao đối với sự thay đổi áp suất và có tiềm năng hoạt động như một cảm biến áp suất tự cấp nguồn [25]. Ngoài những nghiên cứu về PI kể trên, màng PI cấu trúc xốp cũng đã được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau bao gồm điện quay (electrospinning) [26], phân pha (phase separation) [27] và phương pháp đúc khuôn cứng (hard templating) [28].
Thông thường, quá trình tổng hợp polyimide thường áp dụng theo quy trình hai bước, trong đó có phản ứng giữa polyanhydride và polyamine để tạo ra polyamic acid (PAA). Trong khi PAA hòa tan dễ dàng trong các chất hữu cơ thông thường bao gồm DMF, DMAc, NMP và THF [29], PI lại thường không hòa tan trong các dung môi này, gây khó khăn cho quá trình gia công tạo cấu trúc. Mặc dù việc sử dụng màng xốp polyimide (porous PI) đã mang lại sự cải thiện đáng kể cho hiệu suất của TENG, tuy nhiên, các phương pháp chế tạo này có những hạn chế bao gồm quy trình chế tạo phức tạp, chi phí sản xuất cao và hạn chế về khả năng sản xuất quy mô lớn. Để giải quyết những thách thức trên, nghiên cứu này trình bày hai phương pháp tiếp cận mới nhằm chế tạo cấu trúc xốp liên tục của polyimide dựa trên polyimide tiền chất có khả năng hòa tan trong dung môi hữu cơ.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Mặc dù máy phát điện ma sát nano có tiềm năng lớn nhưng ở Việt Nam đây vẫn là lĩnh vực mới nên vẫn chưa có nhiều nghiên cứu được công bố trong nước.
Bùi Văn Tiến, Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM với các hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vật liệu cấu trúc nano, vật liệu sử dụng cho máy phát điện ma sát nano, là người tiên phong triển khai nhiều nghiên cứu và ứng dụng TENG tại Việt Nam. Năm 2021, nhóm nghiên cứu thực hiện chế tạo nanocomposite dựa trên graphene oxide - acid polylactic không sử dụng hoạt động bề mặt với cấu trúc tổ ong cho ứng dụng TENG. Sử dụng vật liệu đối là PDMS có cấu trúc lồi tương ứng tạo thành một cặp vật liệu ma sát, thiết bị này tạo ra công suất đầu ra là 3,25 mW, cao hơn 13,6 lần so với công suất của TENG có bề mặt phẳng không có GO [30]. Năm 2021, nhóm tiếp tục thực hiện nghiên cứu và phát triển màng nanocomposite dựa trên graphene oxide/poly (lactic acid) sử dụng chất hoạt động bề mặt với lỗ lục giác có trật tự cao ứng dụng cho TENG đóng vai trò vật liệu tích điện dương.
Thiết bị được chế tạo tương ứng tạo ra công suất đầu ra là 0,54 mW.