Phần 1: Siêu tụ điện và tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng

 

Sự phát triển không ngừng của xã hội cùng với việc tiêu thụ năng lượng nhanh và nhiều đã dẫn đến nguy cơ cạn kiệt các nguồn tài nguyên hóa thạch. Mặc dù các giải pháp phát triển năng lượng tái tạo đã liên tục được thúc đẩy trong những năm qua, nhưng vẫn tồn tại nhiều trở ngại. Do đó, với khả năng lưu trữ, truyền tải điện năng hiệu quả và có thể kết hợp việc quản lý và lưu trữ các nguồn năng lượng tái tạo, siêu tụ điện đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học để trở thành một giải pháp tiềm năng trong ngành công nghệ năng lượng.

Siêu tụ điện và các vật liệu sử dụng cho siêu tụ điện

Tụ điện (Capacitor) là một thiết bị lưu trữ điện tích được tạo thành từ hai tấm kim loại (điện cực) và ngăn cách bởi một chất cách điện (điện môi). Siêu tụ điện (Supercapacitor) là thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa, có công suất với giá trị điện dung cao hơn nhiều so với tụ điện, nhưng có điện thế thấp hơn. Siêu tụ điện có đặc điểm lưu trữ năng lượng trên một đơn vị khối lượng (hoặc thể tích) nhiều hơn 10-100 lần so với tụ điện truyền thống và có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn (−40°C đến 70°C). Ngoài khả năng chịu được dải nhiệt rộng hơn, nhiều chu kỳ sạc/xả hơn pin, siêu tụ điện có thể hấp thụ và cung cấp điện tích nhanh hơn. Chúng có thể được sử dụng để kéo dài tuổi thọ của pin hoặc bổ sung cho pin bằng cách điều chỉnh mức công suất tạm thời cao nhất. Nói cách khác, siêu tụ điện được sử dụng để thu hẹp khoảng cách giữa các tụ điện thông thường và pin sạc như pin lithium-ion.

Siêu tụ điện có thể được thiết kế dạng đối xứng hoặc không đối xứng. Trong siêu tụ điện đối xứng, cả hai điện cực đều có cùng chất liệu và có cùng điện dung, chúng có thể được phóng điện và giữ ở mức 0V, có thời gian phản hồi nhanh nên có tuổi thọ chu kỳ, công suất cao hơn nhưng khả năng lưu trữ năng lượng thấp hơn so với các siêu tụ điện không đối xứng. Trong siêu tụ điện không đối xứng, giá trị điện dung của thiết bị đối với mỗi điện cực về cơ bản là khác nhau, có tuổi thọ chu kỳ, công suất thấp hơn nhưng khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn so với các siêu tụ điện đối xứng.

Cấu trúc cơ bản của siêu tụ điện đối xứng (Nguồn: SpringerLink)

Cấu tạo của siêu tụ điện về cơ bản bao gồm: Dung dịch điện phân (Electrolyte solution), Lớp cách điện (Separator), Điện cực (Electrode) và Bộ thu dòng điện (Current Collector):

- Chất điện phân (Electrolyte) có nhiều loại khác nhau và được chia thành 2 nhóm chính: chất điện phân lỏng và chất điện phân rắn. Chất điện phân là chất tạo thành dung dịch dẫn điện khi hòa tan trong dung môi, với các cation (ion mang điện tích dương) và anion (ion mang điện tích âm) phân bố đều khắp dung môi, mà bản thân dung dịch không bị ảnh hưởng về điện. Hiệu suất điện hóa của siêu tụ điện chủ yếu được xác định bởi vật liệu sử dụng cùng với chất điện phân.

Chất điện phân lỏng có 3 loại:

• Chất điện phân nước: là các chất điện phân có tính acid, base và trung tính như KOH, Na2SO4, H2SO4 và NH4Cl, không độc hại và giá cả phải chăng. Chúng có điện thế hoạt động thấp (1,23 V), tuy nhiên hiệu suất có thể được cải thiện bằng cách bổ sung chất hoạt động bề mặt nhằm tăng cường khả năng tiếp cận với bề mặt điện cực.
• Chất điện phân hữu cơ: thường được sử dụng trong môi trường công nghiệp để ngăn chặn sự phân hủy dung môi và tối đa hóa khả năng hoạt động, chẳng hạn như acetonitril, propylene carbonate, tetraethylammonium tetrafluoroborate,… Nó có thể hoạt động ở điện thế cao (khoảng 3,5V), tuy nhiên, việc sử dụng nó bị giới hạn trong một số tình huống do sự mất ổn định môi trường, độc tính và cực kỳ dễ cháy. Các siêu tụ điện dung môi hữu cơ có điện dung thấp hơn so với các siêu tụ điện chứa nước.
• Chất điện phân ion: là muối hữu cơ rắn ở trạng thái nóng chảy. Do không bay hơi, áp suất thấp và không dễ cháy nên chúng có thể hoạt động ở thế điện hóa cao hơn đáng kể (lên đến 6V). Tuy nhiên, chất lỏng ion đắt tiền với độ nhớt thường cao (ngăn cản sự lan truyền điện tích và chất điện phân tiếp cận các lỗ nhỏ hơn trên bề mặt điện cực), cùng với độ dẫn điện và độ ổn định hóa học thấp, khiến nó bị hạn chế khi sử dụng làm chất điện phân trong chế tạo siêu tụ điện.

Chất điện phân rắn có thể chia thành 4 loại: dạng gel, polymer khô, gốm rắn và tinh thể nhựa ion hữu cơ:

• Chất điện phân dạng gel: là chất lỏng có khung lưới linh hoạt và gần giống với chất điện phân lỏng. Độ dẫn điện của chất điện phân gel có thể được cải thiện thông qua việc bổ sung các chất phụ trợ khác nhau.
• Chất điện phân polymer khô: có thể được điều chế bằng cách hòa tan trực tiếp muối của nó vào môi trường rắn, thường là các polymer như: polyethylene glycol/polyethylene oxide, poly(metyl metacryit) còn được gọi là thủy tinh acrylic,… Vật liệu tổng hợp thường được sử dụng để tăng cường độ bền cơ học và độ dẫn điện cho chất điện phân này.
• Chất điện phân gốm rắn: là chất điện phân gốm-thủy tinh, các ion di chuyển qua pha gốm của chất điện phân này thông qua các chỗ trống hoặc các kẽ trong mạng tinh thể.
• Tinh thể nhựa ion hữu cơ: có đặc tính dẻo, tính linh hoạt cơ học tốt và tăng cường tiếp xúc ở bề mặt phân cách điện cực-điện phân. Chúng được cho là những chất dẫn proton ở trạng thái rắn đầy tiềm năng cho pin nhiên liệu.

- Lớp cách điện (Separator) là vật liệu có tác dụng tách biệt hai điện cực nhằm ngăn chặn hiện tượng đoản mạch. Các chất cách điện thường là vật liệu xốp, ổn định nhiệt hoặc ổn định cơ học và trơ về mặt hóa học, có thể bảo vệ sự ổn định của chất điện phân cùng với độ dẫn điện, đóng vai trò là nơi chứa chất điện phân. Việc lựa chọn vật liệu cách điện rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất cuối cùng của siêu tụ điện. Một số vật liệu được sử dụng làm chất cách điện trong siêu tụ điện bao gồm: màng polymer xốp không dệt như polyacrylonitrile và kapton, sợi thủy tinh dệt, sợi gốm dệt xốp, vật liệu polyolefin và vải không dệt như giấy cellulose.

- Bộ thu dòng điện (Current Collector) là vật liệu kết nối các điện cực với các cực của siêu tụ điện. Nó thu thập các electron và hỗ trợ vật liệu điện cực, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất điện hóa và độ ổn định chu kỳ của siêu tụ điện. Bộ thu dòng điện phải có tính dẫn điện mạnh, trọng lượng nhẹ, độ bền cơ học và độ đàn hồi tốt, độ ổn định nhiệt và điện hóa cao, chi phí thấp. Ngoài ra, vật liệu hoàn hảo làm bộ thu dòng điện phải duy trì điện trở tiếp xúc thấp cùng với liên kết bền và ổn định với các điện cực. Một số vật liệu phổ biến được sử dụng là: sợi carbon và vải carbon, bọt niken, lá nhôm, lá đồng.

- Điện cực (Electrode): đóng vai trò quan trọng trong việc tạo và lưu trữ năng lượng trong siêu tụ điện. Điện cực của siêu tụ điện phải có một số đặc tính, bao gồm độ dẫn điện cao hơn, độ ổn định nhiệt độ vượt trội, diện tích bề mặt riêng lớn, khả năng chống ăn mòn, giá cả phải chăng và thân thiện với môi trường. Có 3 loại vật liệu điện cực được sử dụng trong sản xuất siêu tụ điện: vật liệu carbon, polymer dẫn điện, oxide/hydroxide kim loại chuyển tiếp, bên cạnh đó còn có loại vật liệu tổng hợp của các loại trên. Trong đó, nhiều vật liệu điện cực đã được nghiên cứu và được xem là vật liệu đầy tiềm năng đối với siêu tụ điện:

• Vật liệu carbon: là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp do chất lượng vượt trội như: tính dẫn điện, diện tích bề mặt riêng cao, độ phong phú tự nhiên, chi phí tương xứng với độ hiệu quả và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng. Một số vật liệu carbon đã được nghiên cứu như: carbon nanotubes, graphene, than hoạt tính, carbon aerogels,… Với cấu trúc lỗ độc đáo, độ bền cơ và nhiệt tốt, cùng tính dẫn điện cao và diện tích bề mặt dễ dàng tiếp cận, carbon nanotubes đã thu hút được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây cho điện cực công suất cao. Ngoài ra, than hoạt tính cũng là vật liệu phổ biến làm điện cực trong các thiết bị thương mại giá cả phải chăng, điện dung cao và khả năng mở rộng dễ dàng.

Vật liệu carbon làm điện cực cho siêu tụ điện (Advances in Supercapacitor Development: Materials, Processes, and Applications (Oyedotun et al, 2023))

• Polymer dẫn điện: vật liệu này có các đặc tính độc đáo như: độ dẫn điện mạnh, tiềm năng hoạt động rộng, khả năng lưu trữ/linh hoạt tốt, hoạt động dựa trên các phản ứng oxi hóa khử có thể thay đổi về mặt hóa học, cùng với tính hiệu quả về mặt chi phí và thân thiện với môi trường. Một số polymer dẫn điện được nghiên cứu thường xuyên nhất để sử dụng trên siêu tụ điện là polypyrrole (PPy), polyaniline (PANI), poly (3,4-ethylene-dioxythiophene) (PEDOT) và polythiophene (PTh). Tuy nhiên, trong quá trình xen kẽ/khử xen kẽ, các polymer dẫn điện bị vón cục và co lại, gây ra sự suy giảm cơ học của điện cực cùng với hiệu suất điện hóa kém trong quá trình lặp theo chu kỳ, khiến chúng không phù hợp để sử dụng thương mại làm vật liệu điện cực.
• Oxide của kim loại chuyển tiếp và hydroxide của chúng: trong phạm vi điện thế hoạt động thích hợp, các oxide kim loại chuyển tiếp và hydroxide của chúng được biết đến với các phản ứng điện hóa faradaic xảy ra giữa vật liệu điện cực và ion. Các vật liệu như RuO₂, MnO₂/Mn(OH)₂, NiO/Ni(OH)₂, Co₃O₄/Co(OH)₂, SnO₂, TiO₂ và V₂O₅ phần lớn đã được nghiên cứu làm điện cực cho siêu tụ điện, nhờ tính phong phú tự nhiên, hiệu quả và hiệu suất điện hóa phong phú. Ngoài ra, vật liệu này còn có công suất năng lượng lớn hơn so với vật liệu carbon và độ ổn định điện hóa vượt trội so với polymer dẫn điện cho siêu tụ điện. Tuy nhiên, các vật liệu này không thích hợp để sử dụng làm điện cực tiềm năng do phạm vi hoạt động ngắn, khả năng trao đổi electron và ion kém và độ dẫn điện thấp.

Oxide của kim loại chuyển tiếp làm điện cực cho siêu tụ điện (Advances in Supercapacitor Development: Materials, Processes, and Applications (Oyedotun et al, 2023))

• Vật liệu điện cực tổng hợp (composite): cung cấp một giải pháp thay thế cho việc trộn các nguyên tố có đặc tính điện hóa khác nhau. Để tận dụng những đặc tính mà từng vật liệu riêng lẻ mang lại, các oxide/hydroxide kim loại giả điện dung hoặc polymer dẫn điện có thể được kết hợp với vật liệu carbon. Sự kết hợp của các vật liệu khác nhau giúp nâng cao hiệu suất điện hóa của siêu tụ điện. Các vật liệu riêng lẻ trong vật liệu tổng hợp phối hợp với nhau để tạo ra hiệu ứng tổng hợp dẫn đến tạo ra các hạt nhỏ hơn, tăng diện tích bề mặt và tạo ra độ xốp. Vật liệu composite được tạo ra có thể có các đặc tính điện hóa tốt hơn, tuy nhiên, cần phải có sự sắp xếp hợp lý trong thành phần của từng vật liệu nhằm tránh tác động tiêu cực. Vật liệu tổng hợp cho điện cực của siêu tụ điện bao gồm: vật liệu tổng hợp hoàn toàn carbon, vật liệu tổng hợp gốc carbon có cấu trúc nano, vật liệu tổng hợp kim loại-vật liệu tổng hợp oxit, vật liệu tổng hợp kim loại-nitrite, vật liệu tổng hợp các gốc hoạt tính hữu cơ,…

Dựa trên cơ chế lưu trữ điện tích và vật liệu điện cực, siêu tụ điện có thể được phân loại thành 3 nhóm:

- Tụ điện lớp kép (Electric Double-layer Capacitors - EDLC): là một dạng siêu tụ điện sử dụng phương pháp phân tách điện tích, xảy ra ở bề mặt tiếp xúc của điện cực và chất điện phân. Quá trình truyền điện tĩnh rất linh hoạt, cho phép tạo ra các thiết bị hiệu quả hơn, với vòng đời dài hơn. Để ngăn ngừa đoản mạch, EDLC gồm có ít nhất hai điện cực được ngăn cách bằng một thiết bị phân tách thấm ion. Cơ chế lưu trữ trong EDLC ban đầu là mô hình Helmholtz, sau đó, được Stern tích hợp với mô hình Gouy-Chapman thành một mô hình duy nhất.

- Giả tụ điện hóa hoặc tụ faradaic (Pseudocapacitors/Faradaic Capacitors - PC): là siêu tụ điện lưu trữ năng lượng điện hóa. PC hoạt động dựa trên sự truyền điện tích do các phản ứng oxi hóa khử phát sinh trên bề mặt điện cực (quá trình này được gọi là Faradaic). Để chế tạo siêu tụ điện này, các điện cực chủ yếu được pha tạp các oxide kim loại chuyển tiếp (như oxide Mn, Ni, Co, Ru và Fe cùng các loại khác), hoặc được phủ bằng polymer dẫn điện. Phản ứng Faradaic ở giả tụ điện nhanh hơn nhiều so với pin sạc như pin lithium-ion, nhưng chậm hơn so với sự phân tách điện tích tĩnh điện xảy ra trong EDLC.

- Tụ điện lai (Hybrid Capacitors): thường có thiết kế điện cực không đối xứng, tích hợp các loại vật liệu điện cực với cơ chế lưu trữ riêng biệt, thường là sự kết hợp của vật liệu EDLC và vật liệu faradaic/giả điện dung thông qua việc sử dụng hai điện cực giống nhau. Điện cực faradaic trong một thiết bị lai mang lại mật độ năng lượng lớn, trong khi điện cực điện dung cung cấp nguồn năng lượng lớn.

Các loại siêu tụ điện dựa trên thiết kế điện cực và vật liệu điện cực tương ứng (Biên dịch từ nghiên cứu Advances in Supercapacitor Development: Materials, Processes, and Applications (Oyedotun et al, 2023))

Siêu tụ điện – giải pháp lưu trữ năng lượng cho tương lai

Lĩnh vực năng lượng đang ngày càng thu hút cộng đồng khoa học nghiên cứu, khám phá các nguồn năng lượng mới để thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, đáp ứng nhu cầu trong tương lai cho nhân loại. Các nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng hiện tại như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy điện, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều,… mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều trở ngại trong những tình huống quan trọng. Chẳng hạn như: pin mặt trời chỉ có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng khi có ánh sáng mặt trời và cơ chế lưu trữ năng lượng gần như không tồn tại; năng lượng theo mùa, như gió và thủy triều, cũng gặp những khó khăn tương tự; năng lượng liên tục có thể được sản xuất bởi một số năng lượng tái tạo như năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy điện và năng lượng địa nhiệt với điều kiện nguồn cung cấp “nhiên liệu” của chúng không bị gián đoạn (nhà máy điện hạt nhân cần một lượng lớn nước để làm mát hệ thống nên thường xây dựng dọc bờ biển, trạm thủy điện thường nằm dọc theo các con sông có nhiều nước chảy xiết, nhà máy điện địa nhiệt được bố trí trên bề mặt, nơi có thể tìm thấy nguồn nhiệt ở độ sâu khoảng 5.000m dưới lòng đất,…). Việc sản xuất năng lượng từ các nguồn tái tạo này không phù hợp với thời kỳ tiêu thụ điện cao điểm, dẫn đến lãng phí năng lượng đáng kể trong cuộc sống hàng ngày.

Thông thường, pin được sử dụng để giảm thiểu sự mất cân bằng giữa nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và việc truyền tải năng lượng kém hiệu quả. Tuy nhiên, nhược điểm của pin là mật độ năng lượng thấp. Do đó, các thiết bị siêu tụ điện đã thu hút được sự chú ý trong những năm gần đây nhờ mật độ năng lượng khổng lồ của chúng. Với vòng đời sạc-xả nhanh gần như vô hạn, công suất và mật độ năng lượng lớn, chi phí thấp, thiết kế module dễ lắp đặt và nhiều ưu điểm khác, siêu tụ điện có nhiều lợi thế nên được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong xã hội hiện đại.

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, siêu tụ điện được sử dụng thay thế hoặc kết hợp cùng với pin trong các hệ thống lưu trữ điện năng từ năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Trong lĩnh vực giao thông, cùng với việc ứng dụng siêu tụ điện trong xe điện, các nhà khoa học còn tìm cách tăng cường khả năng kiểm soát hệ thống lưu trữ năng lượng của siêu tụ điện nhằm đạt được sự cân bằng giữa hiệu quả và tuổi thọ. Chẳng hạn như nghiên cứu biến đổi và tái tạo lại năng lượng khi phanh của xe điện hay các hệ thống quản lý năng lượng kết hợp việc sử dụng pin nhiên liệu và siêu tụ điện nhằm bổ trợ cho nhau. Siêu tụ điện còn được dùng để lưu trữ năng lượng trong robot thông minh nhằm xử lý khối công việc đa dạng một cách hiệu quả và tin cậy, trong thời gian dài. Ngoài ra, sự xuất hiện của các thiết bị đeo trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe cũng đã thu hút các ứng dụng siêu tụ điện trong hệ thống điều khiển như: hệ thống cảm biến năng lượng thấp theo dõi thông số sinh lý (nhịp tim, độ bão hòa oxy); quần áo thông minh trang bị tính năng theo dõi nhiệt độ cơ thể,... Những đổi mới này đã thúc đẩy cho sự phát triển của các siêu tụ điện linh hoạt, có thể co dãn, có thể nén được, có tuổi thọ cao và tương thích sinh học tốt với cơ thể con người.

************

Công nghệ siêu tụ điện đã đạt được nhiều kết quả ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực năng lượng, nhất là khi xu hướng phát triển các phương tiện chạy bằng điện đang trở nên phổ biến trên toàn thế giới. Để tiếp tục phát triển những ứng dụng tiềm năng cho siêu tụ điện, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu các vật liệu mới trong chế tạo điện cực và nghiên cứu khả năng kết hợp hiệu quả giữa pin và siêu tụ điện, nhằm nỗ lực giải quyết các thách thức và nâng cao hiệu suất của thiết bị. Qua đó, cho thấy vai trò quan trọng của siêu tụ điện trong ngành công nghệ năng lượng ngày nay, với sự an toàn, bền vững và khả thi, phù hợp với các chiến lược phát triển thân thiện với môi trường trên toàn cầu.

Duy Sang

--------------------------------------------------------------------------------

Mời xem tiếp Phần 2: Các nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện và vật liệu điện cực cho siêu tụ điện tại Việt Nam (Thông tin chuyên đề Khoa học, Công nghệ và Đổi mới sáng tạo, số 06/2024)

--------------------------------------------------------------------------------

Tài liệu tham khảo chính

[1] Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN TP.HCM. Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ - Siêu tụ điện công nghệ nano thân thiện môi trường và xu hướng ứng dụng trong tiết kiệm năng lượng và ổn định nguồn điện.
[2] J. Zhang et al. Supercapacitors for renewable energy applications: A review. Micro and Nano Engineering.
[3] Oyedotun, K.O., Ighalo, J.O., Amaku, J.F. et al. (2023). Advances in Supercapacitor Development: Materials, Processes, and Applications. Journal of Electronic Materials, 52, 96-129.