Luận văn thạc sĩ tổng hợp vật liệu nano composite dựa trên mos2 và ống nano cacbon ứng dụng cho siêu tụ điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích tổng hợp vật liệu nano composite dựa trên mos2 và ống nano cacbon ứng dụng cho siêu tụ điện, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Trà My
• Người hướng dẫn: TS. Lê Viết Thông
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Tổng hợp vật liệu nano composite dựa trên MoS2 và ống nano cacbon ứng dụng cho siêu tụ điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 0.6. Cấu trúc luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN
• 1.1.1. Cấu tạo của siêu tụ điện
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
• 2.2. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU
• 2.2.1. Chuẩn bị dung dịch thủy nhiệt
• 2.2.2. Tiến hành quá trình thủy nhiệt
• 2.2.3. Tiến hành quay ly tâm để thu composite MoS3/MWCNTs
• 2.2.4. Chế tạo siêu tụ điện hình dạng đồng xu (coin cell)
• 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VẬT LIỆU
• 2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 2.3.2. Phương pháp phổ Raman
• 2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.4. Phép đo quét thế tuần hoàn (Cyclic voltammetry, CV)
• 2.3.5. Phép đo phổ trở kháng điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU MoS2 VÀ COMPOSITE MoS2/CNT
• 3.2. CÁC ĐẶC TRƯNG TINH THỂ
• 3.3. ĐẶC TRƯNG CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC COMPOSITE MoS2/MWCNT
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Vật liệu nano composite

Vật liệu nano composite là trọng tâm của nghiên cứu này, đặc biệt là sự kết hợp giữa MoS2 và ống nano carbon. Vật liệu nano composite này được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, một phương pháp đơn giản, chi phí thấp và có thể sản xuất ở quy mô lớn. MoS2 và ống nano carbon được chọn vì tính chất độc đáo của chúng, bao gồm diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao và khả năng tăng cường hiệu suất điện hóa. Vật liệu nano composite này hứa hẹn cải thiện điện dung và mật độ năng lượng của siêu tụ điện, một thiết bị lưu trữ năng lượng quan trọng trong các ứng dụng công nghệ hiện đại.

1.1. Tính chất vật liệu nano

Tính chất vật liệu nano của MoS2 và ống nano carbon được khảo sát kỹ lưỡng. MoS2 có cấu trúc lớp, tương tự như graphite, với các lớp kim loại Mo kẹp giữa hai lớp S. Cấu trúc này hỗ trợ tăng cường vận chuyển điện tích, làm cho MoS2 trở thành vật liệu tiềm năng cho siêu tụ điện. Ống nano carbon có diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, nhưng dễ kết tụ, làm giảm điện dung. Kết hợp hai vật liệu này tạo ra vật liệu nano composite với tính chất ưu việt, bao gồm điện dung cao và độ ổn định chu kỳ dài.

1.2. Ứng dụng vật liệu nano

Ứng dụng vật liệu nano trong siêu tụ điện là mục tiêu chính của nghiên cứu. Vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon được sử dụng làm điện cực, giúp tăng cường hiệu suất của siêu tụ điện. Điện cực này có khả năng lưu trữ năng lượng cao và độ bền lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong xe điện, thiết bị điện tử di động và các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Nghiên cứu này góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực tích trữ năng lượng.

II. Siêu tụ điện

Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghệ hiện đại. Siêu tụ điện có ưu điểm vượt trội như mật độ công suất cao, độ ổn định chu kỳ tốt và khả năng sạc/xả nhanh. Tuy nhiên, mật độ năng lượng của siêu tụ điện thấp hơn so với pin lithium-ion, làm hạn chế ứng dụng của chúng. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện mật độ năng lượng của siêu tụ điện thông qua việc sử dụng vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Siêu tụ điện bao gồm hai điện cực (anode và cathode), chất điện phân và màng ngăn. Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện dựa trên sự hình thành lớp điện tích kép (EDLC) hoặc phản ứng oxy hóa khử nhanh (giả tụ điện). Vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon được sử dụng làm điện cực, giúp tăng cường điện dung và mật độ năng lượng của siêu tụ điện. Điện áp hoạt động của siêu tụ điện phụ thuộc vào chất điện phân, trong khi điện dung phụ thuộc vào vật liệu điện cực.

2.2. Cải thiện mật độ năng lượng

Cải thiện mật độ năng lượng của siêu tụ điện là mục tiêu chính của nghiên cứu. Vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon được kỳ vọng sẽ tăng cường điện dung và mật độ năng lượng của siêu tụ điện. Điện dung của siêu tụ điện được tính bằng công thức E = 1/2CV^2, trong đó C là điện dung và V là điện áp. Việc tối ưu hóa điện dung thông qua việc sử dụng vật liệu nano composite là giải pháp hiệu quả để cải thiện mật độ năng lượng của siêu tụ điện.

III. Công nghệ nano

Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon. Công nghệ nano cho phép kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu ở cấp độ nano, giúp tối ưu hóa hiệu suất của siêu tụ điện. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp công nghệ nano như thủy nhiệt, hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ Raman để khảo sát và đánh giá vật liệu nano composite.

3.1. Phương pháp tổng hợp

Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, chi phí thấp và có thể sản xuất ở quy mô lớn. Quá trình tổng hợp bao gồm chuẩn bị dung dịch thủy nhiệt, tiến hành quá trình thủy nhiệt và quay ly tâm để thu vật liệu nano composite. Công nghệ nano giúp kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu, đảm bảo hiệu suất cao trong siêu tụ điện.

3.2. Khảo sát tính chất

Các phương pháp công nghệ nano như hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phổ Raman được sử dụng để khảo sát tính chất của vật liệu nano composite. SEM và TEM giúp quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc của vật liệu, trong khi phổ Raman cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và liên kết hóa học. Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và tối ưu hóa vật liệu nano composite cho siêu tụ điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và nhu cầu chuyển đổi sang năng lượng xanh, việc phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu quả trở nên cấp thiết. Siêu tụ điện, với khả năng sạc/xả nhanh và tuổi thọ chu kỳ cao, được xem là giải pháp tiềm năng bên cạnh pin lithium-ion. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của siêu tụ điện là mật độ năng lượng thấp, chỉ khoảng 30 Wh/kg, thấp hơn nhiều so với pin lithium-ion (khoảng 250 Wh/kg). Do đó, nâng cao điện dung riêng và mật độ năng lượng của siêu tụ điện là mục tiêu nghiên cứu quan trọng.

Luận văn tập trung vào tổng hợp vật liệu nano composite dựa trên molypden disulfua (MoS2) và ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) ứng dụng cho điện cực siêu tụ điện. MoS2 là vật liệu 2D có cấu trúc lớp với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn ion tốt, nhưng độ dẫn điện tử thấp. Trong khi đó, MWCNTs có độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt lớn và độ bền cơ học tốt. Việc kết hợp MoS2 với MWCNTs nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai vật liệu, cải thiện điện dung riêng và độ ổn định chu kỳ của siêu tụ điện.

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn và Đại học Phenikaa, với thời gian thực hiện từ năm 2020 đến 2021. Mục tiêu cụ thể gồm chế tạo vật liệu composite MoS2/MWCNT bằng phương pháp thủy nhiệt, khảo sát cấu trúc và hình thái bề mặt, đánh giá đặc tính điện hóa và hiệu suất siêu tụ điện. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu điện cực mới, nâng cao hiệu quả lưu trữ năng lượng, hỗ trợ ứng dụng trong các thiết bị điện tử di động và xe điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế lưu trữ năng lượng của siêu tụ điện và đặc tính vật liệu nano 2D MoS2 cùng ống nano cacbon.

1. Cơ chế siêu tụ điện: Siêu tụ điện hoạt động dựa trên hai cơ chế chính là tụ tĩnh điện lớp kép (EDLC) và giả tụ điện. EDLC lưu trữ năng lượng qua sự hấp phụ ion trên bề mặt điện cực mà không có phản ứng hóa học, cho phép sạc/xả nhanh và tuổi thọ cao. Giả tụ điện dựa trên phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch, cung cấp điện dung cao hơn nhưng mật độ công suất thấp hơn. Siêu tụ điện lai kết hợp ưu điểm của cả hai loại này.

2. Vật liệu MoS2: MoS2 là vật liệu 2D có cấu trúc lớp S–Mo–S với liên kết van der Waals yếu giữa các lớp, cho phép tách thành các tấm mỏng đơn lớp hoặc vài lớp. Pha 1H MoS2 ổn định nhất, có vùng cấm trực tiếp khoảng 1,8 eV, hỗ trợ dẫn điện và vận chuyển ion hiệu quả. Tuy nhiên, MoS2 có độ dẫn điện tử thấp, hạn chế hiệu suất điện hóa.

3. Ống nano cacbon (CNTs): CNTs có cấu trúc ống trụ, diện tích bề mặt lớn (~1300 m²/g), độ dẫn điện cao và độ bền cơ học tốt. CNTs thường được dùng làm vật liệu điện cực EDLC nhưng điện dung riêng chỉ khoảng 150–250 F/g do cơ chế lưu trữ ion bề mặt.

4. Composite MoS2/MWCNTs: Sự kết hợp giữa MoS2 và MWCNTs tạo ra mạng lưới dẫn điện ba chiều, tăng cường vận chuyển điện tích và ion, ngăn chặn hiện tượng kết tụ MoS2, từ đó nâng cao điện dung riêng và độ ổn định chu kỳ của siêu tụ điện.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu dựa trên tổng hợp lý thuyết, kết quả nghiên cứu trước đây và thực nghiệm chế tạo vật liệu composite MoS2/MWCNTs.

• Phương pháp chế tạo: Sử dụng phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp composite. Tiền chất (NH4)2MoS4 và MWCNTs được phân tán trong dung môi DMF, trộn lẫn và xử lý thủy nhiệt ở 200°C trong 20 giờ. Sau đó, composite được thu bằng quay ly tâm, sấy khô và ủ ở 800°C trong khí Argon để chuyển MoS3 thành MoS2.

• Phương pháp khảo sát vật liệu: Hình thái bề mặt và cấu trúc được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM). Phổ Raman được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể và thành phần vật liệu.

• Phương pháp khảo sát điện hóa: Đặc tính điện hóa được đánh giá qua các phép đo quét thế tuần hoàn (CV), phổ trở kháng điện hóa (EIS) và đặc trưng sạc/xả. Các thông số như điện dung riêng, mật độ năng lượng và mật độ công suất được tính toán dựa trên dữ liệu thu thập.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu composite được chế tạo với khối lượng phủ điện cực khoảng 1 mg/cm², đảm bảo tính thực tiễn và so sánh với các vật liệu thương mại. Phương pháp phân tích được lựa chọn nhằm đánh giá toàn diện hiệu suất điện hóa của vật liệu.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và khảo sát vật liệu diễn ra trong khoảng 6 tháng, từ chuẩn bị hóa chất, tổng hợp, xử lý nhiệt đến đo đạc và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hình thái và cấu trúc vật liệu: Ảnh SEM và TEM cho thấy composite MoS2/MWCNT có cấu trúc 3D với các hạt MoS2 phân bố đều trên mạng lưới MWCNT. Kích thước hạt MoS2 khoảng vài chục nanomet, tạo diện tích bề mặt lớn cho quá trình hấp phụ ion. Phổ Raman xác nhận sự hiện diện đồng thời của MoS2 và MWCNT với các peak đặc trưng, chứng tỏ sự kết hợp thành công của hai vật liệu.

2. Điện dung riêng: Composite MoS2/MWCNT đạt điện dung riêng lên đến khoảng 452,7 F/g ở mật độ dòng điện 1 A/g, cao hơn đáng kể so với MoS2 nguyên chất (khoảng 270 F/g) và MWCNT đơn lẻ (khoảng 150–250 F/g). Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc kết hợp vật liệu trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện tích.

3. Mật độ năng lượng và công suất: Siêu tụ điện sử dụng composite MoS2/MWCNT đạt mật độ năng lượng khoảng 67,9 Wh/kg và mật độ công suất 0,8 kW/kg, vượt trội so với nhiều vật liệu tương tự. Đường Ragone thể hiện sự cân bằng tốt giữa năng lượng và công suất, phù hợp cho các ứng dụng cần xung năng lượng nhanh.

4. Độ ổn định chu kỳ: Sau 10.000 chu kỳ sạc-xả liên tục ở mật độ dòng 1 A/g, siêu tụ điện vẫn duy trì khoảng 81,9% điện dung ban đầu, cho thấy độ bền cơ học và hóa học cao của composite. Điều này vượt trội so với nhiều vật liệu giả tụ điện khác, phù hợp cho ứng dụng thương mại.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất vượt trội của composite MoS2/MWCNT được giải thích bởi cấu trúc nano 3D độc đáo, trong đó MWCNT tạo mạng lưới dẫn điện hiệu quả, giảm điện trở nội bộ và hỗ trợ vận chuyển electron nhanh chóng. Đồng thời, MoS2 cung cấp diện tích bề mặt lớn và khả năng lưu trữ ion cao nhờ cấu trúc lớp. Sự xen kẽ giữa MoS2 và MWCNT ngăn chặn hiện tượng kết tụ, duy trì cấu trúc xốp và tăng cường sự khuếch tán ion trong điện cực.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đương hoặc vượt trội về điện dung riêng và độ ổn định chu kỳ, minh chứng cho tính khả thi của phương pháp thủy nhiệt trong tổng hợp composite chất lượng cao. Các biểu đồ CV và EIS minh họa rõ ràng sự cải thiện về khả năng dẫn điện và lưu trữ điện tích so với vật liệu đơn lẻ.

Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu điện cực cho siêu tụ điện, góp phần nâng cao mật độ năng lượng mà vẫn giữ được ưu điểm về mật độ công suất và tuổi thọ chu kỳ, đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng cho xe điện và thiết bị điện tử di động.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ MoS2 và MWCNT: Thực hiện các thí nghiệm điều chỉnh tỷ lệ thành phần để đạt điện dung riêng và mật độ năng lượng tối ưu, nhằm nâng cao hiệu suất siêu tụ điện trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu vật liệu tại phòng thí nghiệm.

2. Nâng cao quy mô sản xuất: Phát triển quy trình tổng hợp thủy nhiệt quy mô lớn, đảm bảo đồng nhất và chi phí thấp, phục vụ sản xuất thương mại trong 1-2 năm. Các doanh nghiệp công nghệ vật liệu và viện nghiên cứu nên phối hợp thực hiện.

3. Khảo sát các dung dịch điện phân mới: Thử nghiệm các loại dung dịch điện phân có điện áp hoạt động cao hơn và độ ổn định tốt để tăng điện áp làm việc của siêu tụ điện, từ đó nâng cao mật độ năng lượng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu điện hóa đảm nhiệm.

4. Ứng dụng trong thiết bị thực tế: Thử nghiệm tích hợp composite MoS2/MWCNT vào các thiết bị lưu trữ năng lượng như xe điện, thiết bị cầm tay để đánh giá hiệu quả thực tế và độ bền lâu dài. Các công ty sản xuất thiết bị điện tử và xe điện nên phối hợp với viện nghiên cứu trong giai đoạn 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và điện hóa: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp và đặc tính composite MoS2/MWCNT, hỗ trợ phát triển vật liệu điện cực mới cho siêu tụ điện.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị lưu trữ năng lượng: Thông tin về hiệu suất và độ bền của composite giúp doanh nghiệp lựa chọn vật liệu phù hợp để cải tiến sản phẩm siêu tụ điện.

3. Giảng viên và sinh viên ngành vật lý chất rắn, khoa học vật liệu: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu 2D và ứng dụng trong lưu trữ năng lượng.

4. Chuyên gia phát triển công nghệ xe điện và thiết bị điện tử di động: Cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng vật liệu composite nâng cao hiệu suất lưu trữ năng lượng, đáp ứng yêu cầu công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn MoS2 và MWCNT làm vật liệu composite cho siêu tụ điện?
   MoS2 có cấu trúc lớp 2D với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn ion tốt, trong khi MWCNT có độ dẫn điện cao và độ bền cơ học. Kết hợp hai vật liệu này tận dụng ưu điểm của cả hai, cải thiện điện dung riêng và độ ổn định chu kỳ.

2. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp composite?
   Phương pháp thủy nhiệt đơn giản, chi phí thấp, an toàn và có thể sản xuất quy mô lớn với độ đồng nhất cao. Nó giúp kiểm soát hình thái và kích thước hạt MoS2 trong composite.

3. Điện dung riêng của composite MoS2/MWCNT đạt được là bao nhiêu?
   Composite đạt khoảng 452,7 F/g ở mật độ dòng 1 A/g, cao hơn nhiều so với MoS2 nguyên chất và MWCNT đơn lẻ, cho thấy hiệu quả của sự kết hợp vật liệu.

4. Độ bền chu kỳ của siêu tụ điện sử dụng composite này như thế nào?
   Sau 10.000 chu kỳ sạc-xả liên tục, siêu tụ điện vẫn giữ được khoảng 81,9% điện dung ban đầu, chứng tỏ độ bền và ổn định cao phù hợp ứng dụng thực tế.

5. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào sản xuất thương mại không?
   Với hiệu suất và độ bền cao, cùng quy trình tổng hợp đơn giản, composite MoS2/MWCNT có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất siêu tụ điện thương mại, đặc biệt cho xe điện và thiết bị điện tử di động.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nano composite MoS2/MWCNT bằng phương pháp thủy nhiệt với cấu trúc 3D đồng nhất.
• Composite thể hiện điện dung riêng cao khoảng 452,7 F/g và mật độ năng lượng 67,9 Wh/kg, vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.
• Độ ổn định chu kỳ xuất sắc với 81,9% điện dung còn lại sau 10.000 chu kỳ sạc-xả.
• Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu điện cực mới cho siêu tụ điện, hỗ trợ ứng dụng trong lưu trữ năng lượng xanh.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa thành phần, mở rộng quy mô sản xuất và thử nghiệm ứng dụng thực tế trong 1-2 năm tới.

Luận văn mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite trong công nghệ lưu trữ năng lượng, kêu gọi các nhà khoa học và doanh nghiệp cùng hợp tác phát triển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN 1. Cấu tạo của siêu tụ điện Siêu tụ điện, còn được gọi là tụ điện hóa, theo nguyên tắc lưu trữ năng lượng, siêu tụ điện có thể được phân thành ba loại chính: tụ tĩnh điện lớp kép (electrical double layer capacitors, EDLC), giả tụ điện (pseudocapacitors) và tụ điện lai (hybrid capacitors). Khác với tụ điện cổ điển có điện dung chỉ khoảng picoFara đến miliFara, siêu tụ điện, như tên gọi của nó, có điện dung lên đến hàng nghìn Fara đã được nhiều công ty trên thế giới chế tạo[6].

Sở dĩ siêu tụ điện đạt được điện dung cực lớn như vậy là nhờ sử dụng điện cực là các vật liệu có cấu trúc nano có diện tích bề mặt rất cao (lên đến hàng nghìn mét vuông trên 1 gram vật liệu) và khoảng cách của lớp điện môi rất mỏng (chỉ khoảng vài Å) (là khoảng cách giữa lớp điện tích hấp phụ lên bề mặt điện cực) nên đạt được điện dung rất cao. Các thành phần chính của siêu tụ điện là điện cực (gồm điện cực âm (anode) và điện cực dương (cathode)), chất điện phân (electrolyte) và màng ngăn (separator). Màng ngăn có tính thấm ion tức cho các ion dương và ion âm trong dung dịch điện phân đi qua dễ dàng, đồng thời cũng có khả năng cách điện giữa điện cực âm và điện cực dương (Hình 1. Ngoài ra, tấm kim loại thu điện tích (current collector) có vai trò vận tải các electron và lỗ trống đến điện cực dương và điện cực âm hiệu quả trong quá trình sạc và xả của siêu tụ điện.1 Cấu trúc của siêu tụ điện[7] Quá trình tích trữ năng lượng (trong quá trình sạc) diễn ra khi tụ điện được nối với nguồn điện bên ngoài.

Khi các điện cực được nhúng vào chất điện phân, lúc này có sự phân tách các ion trong chất điện phân đi về hai điện cực. Tại bề mặt điện cực/chất điện phân, một lớp điện tích kép EDL hình thành gần như tức thì (thời gian hình thành là gần 10-8 s). Trong quá trình này chỉ có sự sắp xếp lại điện tích mà không có phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt vật liệu điện cực. Đây là trường hợp lý tưởng của siêu tụ điện EDLC thuần khiết.

Điện áp làm việc của siêu tụ điện được xác định bởi điện áp phân ly của chất điện phân và phụ thuộc vào mật độ dòng điện, nhiệt độ hoạt động và thời gian sống.1, giả sử điện cực âm phía trái nối với nguồn dương, lúc này các ion âm trong chất điện phân sẽ bị hút về phía bề mặt và hấp phụ lên bề mặt vật liệu điện cực. Ở phía ngược lại bên phải, các ion dương sẽ di chuyển và hấp phụ lên điện cực âm. Ngược lại, trong quá trình xả, tụ điện đóng vai trò như e 8 một nguồn điện tương tự như pin. Lúc này các electron và lỗ trống đi về mạch điện ngoài tạo thành dòng điện đồng thời với quá trình giải hấp phụ của ion dương và ion âm trên hai điện cực và quay về lại dung dịch điện phân.

Đây là nguyên lý hoạt động chính của siêu tụ tĩnh điện lớp kép EDLC, tức là không xảy ra quá trình trao đổi điện tích giữa ion của dung dịch điện phân và điện cực của tụ. Sự hình thành EDL phụ thuộc vào cấu trúc của bề mặt điện cực, thành phần của chất điện phân và hiệu điện thế ở giữa các điện tích ở bề mặt điện cực/chất điện phân. Loại tụ điện EDLC này sử dụng vật liệu carbon cấu trúc nano vì chúng có diện tích bề mặt riêng rất cao và do cấu trúc vùng năng lượng của chúng đảm bảo không có sự trao đổi điện tích giữa vật liệu điện cực với ion trong các loại dung dịch điện phân[3]. Nhờ vào ưu điểm dòng điện sạc/xả lớn, siêu tụ điện chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng cần xung năng lượng trong khoảng thời gian ngắn, ví dụ như vài giây hoặc hàng chục giây.

Hiệu suất của siêu tụ điện phụ thuộc vào sự tích tụ điện tích từ dung dịch điện phân tại bề mặt điện cực/chất điện phân thông qua lực hút tĩnh điện bởi các điện cực phân cực. Siêu tụ điện đã được sử dụng làm thiết bị lưu trữ năng lượng trong nhiều thập kỷ trước nhưng mật độ năng lượng của chúng vẫn còn thấp. Những phát triển gần đây trong công nghệ siêu tụ điện đã cho phép siêu tụ điện lưu trữ lượng năng lượng lớn hơn (lên tới 30 Wh/kg [8]) so với tụ điện thông thường (có mật độ năng lượng chỉ khoảng 0,06 Wh/kg). Tuy nhiên, mật độ năng lượng của chúng vẫn còn kém so với so với pin liti-ion (có mật độ năng lượng khoảng 250 Wh/kg).

Do vậy, có thể xem siêu tụ điện là một loại thiết bị lưu trữ năng lượng có mật độ năng lượng và công suất nằm giữa của tụ điện cổ điển và pin liti-ion, đồng thời siêu tụ điện còn mang một số lợi thế hứa hẹn khác bao gồm số lượng chu kỳ sạc/xả lớn và khả năng hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ rộng. Như vậy, để cạnh tranh e 9 với pin liti-ion, siêu tụ điện cần nâng cao mật độ năng lượng đồng thời giữ được ưu điểm về mật độ công suất và số chu kì sạc/xả cao. Tụ tĩnh điện lớp kép (EDLC) Đối với tụ tĩnh điện lớp kép, cơ chế nạp xả thông qua việc phân phối điện tích trên bề mặt thông qua các quá trình hấp phụ vật lý (hình 1. Lớp điện tích kép được hình thành do sự hấp thụ các điện tích (ion) tại mặt phân cách giữa điện cực rắn và dung dịch điện phân.

Về nguyên tắc, không có bất kỳ phản ứng Faradic nào xảy ra trên bề mặt của các điện cực. Do đó, loại siêu tụ điện này có mật độ công suất và hiệu suất Coulomb (tỉ lệ giữa số điện tích xả trên số điện tích nạp) tốt hơn so với tất cả các loại pin. Quá trình sạc và xả của siêu tụ điện gắn liền với quá trình hấp phụ và giải hấp phụ của ion dương và ion âm lên hai điện cực của siêu tụ. Chính vì nguyên lý hoạt động này của siêu tụ điện giúp chúng có hai ưu điểm rất lớn so với pin liti-ion.

Thứ nhất, vì quá trình sạc và xả chỉ gắn với quá trình hấp phụ của ion lên bề mặt điện cực nên quá trình sạc sẽ rất nhanh (khoảng vài phút), đồng thời khi xả sẽ tạo ra dòng điện (đồng nghĩa với công suất của nguồn) rất lớn. Thứ hai, quá trình hấp phụ và giải hấp phụ của ion trong quá trình sạc và xả của siêu tụ điện không phá hủy cũng như thay đổi đặc tính của chất điện phân và vật liệu điện cực. Do đó, siêu tụ điện có thể hoạt động lên đến hàng triệu chu kì. Điều này hoàn toàn khác với pin liti-ion chỉ có thể sạc/xả khoảng vài trăm đến tối đa vài nghìn chu kì do sự thay đổi cấu trúc vật liệu điện cực trong quá trình lưu trữ điện tích bên trong vật liệu rắn.

Ngoài ra, do đặc tính tương thích tốt giữa vật liệu điện cực và các dung môi, có rất nhiều loại dung môi có thể được sử dụng trong các tụ điện hóa và chúng có thể hoạt động ở các môi trường khác nhau. Vật liệu làm điện cực như ống nano cacbon, graphene, than hoạt tính, kim cương nano. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, EDLCs với điện cực cacbon nguyên chất với cơ chế lưu trữ hấp phụ ion e 10 trên bề mặt không đáp ứng được yêu cầu lưu trữ năng lượng cao và do đó, giả tụ điện được đề xuất nhằm nâng cao hơn nữa điện dung của siêu tụ. Tụ tĩnh điện lớp kép (EDLCs) [9] 1.

Giả tụ điện Giả tụ điện không giống như EDLC, đây là một loại siêu tụ điện dựa trên phản ứng Faradic (phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch điện hóa) để tích trữ năng lượng (hình 1. Khi một điện áp bên ngoài được đặt vào các điện cực, quá trình oxy hóa khử và thuận nghịch xảy ra rất nhanh trên bề mặt của các điện cực. Quá trình này, tương tự như cơ chế xảy ra trong tất cả các loại pin, liên quan đến sự chuyển dịch điện tích giữa các điện cực và chất điện phân. Điện dung của giả tụ điện có thể cao hơn khoảng 3 - 20 lần so với EDLC.

Tuy nhiên, mật độ dòng điện (và do đó, công suất riêng) của giả tụ điện thường thấp hơn so với EDLC do các quá trình Faradic tức là sự trao đổi điện tích trong các phản ứng oxy hóa khử, diễn ra chậm hơn quá trình hấp phụ ion trong EDLC. Vật liệu điện cực được sử dụng cho giả tụ điện là các oxit kim loại và polyme dẫn điện [9] có điện dung cao hơn vật liệu điện cực cacbon nhưng độ ổn định chu kỳ giảm hơn của chúng đã cản trở sự phát triển của tụ điện giả polyme dẫn điện. Oxit kim loại được sử dụng phổ biến nhất trong giả tụ điện là oxit e 11 ruthenium, vì nó kết hợp điện dung riêng và mật độ năng lượng cao hơn so với các tụ lớp điện kép (EDL) tương tự. Tuy nhiên hạn chế chính của nó là giá thành cao.

Giả tụ điện cũng có thể được hình thành bằng cách dùng các lớp phủ polyme dẫn điện trên sợi than hoạt tính, dẫn đến mật độ năng lượng được cải thiện. Cấu trúc của giả tụ điện[9] 1. Tụ lai Như đã đề cập trên, tụ tĩnh điện lớp kép có ưu điểm ở mật độ công suất lớn nhưng nhược điểm ở mật độ năng lượng nhỏ. Ở chiều ngược lại, pin liti- ion có ưu điểm mật độ năng lượng lớn nhưng mật độ công suất nhỏ.

Để kết hợp ưu điểm của hai loại thiết bị lưu trữ điện năng này, các nhà khoa học đã đề xuất ra một loại siêu tụ khác, đó là tụ liti-ion, hay có thể gọi là siêu tụ lai (hình 1. Các siêu tụ điện lai là sự kết hợp của một điện cực dương lấy từ điện cực dương của pin liti-ion hoặc cũng có thể dựa trên vật liệu giả điện dung (ví dụ PbO2 hoặc NiOOH) và một điện cực âm khác dựa trên vật liệu hai lớp điện tích (carbon). Vì lý do đó, điện dung của loại siêu tụ điện này được bao gồm trong e 12 cả điện dung hai lớp điện được lưu trữ bởi điện cực cacbon xốp và điện dung giả được lưu trữ bằng oxit kim loại hoặc polyme dẫn điện. Ngày nay, nhiều nghiên cứu đang tập trung vào siêu tụ điện lai do các tính năng thú vị của chúng kết hợp với cả EDLC và tụ điện giả.

Dung dịch điện phân sử dụng trong siêu tụ lai này là dung dịch điện phân trong pin liti-ion.