Phần 2: Một số nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện và vật liệu điện cực cho siêu tụ điện tại Việt Nam

 

Từ năm 2014, các nhà khoa học Việt Nam đã bắt tay vào nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện và các vật liệu điện cực cho siêu tụ điện. Phần lớn nghiên cứu đến nay là các đề tài khoa học cấp Quốc gia, với các vật liệu như graphen, polymer, oxide kim loại, … Bên cạnh nghiên cứu các vật liệu điện cực tối ưu cho siêu tụ điện, xu hướng sử dụng các phế phẩm từ ngành nông nghiệp để chế tạo vật liệu điện cực cũng thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học, và đến nay đã có những kết quả khả quan được công bố.

Theo thông tin từ CSDL Quốc gia về nhiệm vụ KH&CN, tính đến nay, có 8 đề tài nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện và vật liệu ứng dụng cho siêu tụ điện đã được nghiệm thu. Trong đó, có 6 đề tài cấp Quốc gia, 1 đề tài cấp Bộ và 1 đề tài cấp Tỉnh/Thành phố (TP.HCM).

Nguồn: CSDL Quốc gia về nhiệm vụ KH&CN

Bên cạnh đó, theo CSDL WIPO Publish của Cục Sở hữu trí tuệ, có 4 đơn đăng ký sáng chế/ GPHI đề cập đến chế tạo vật liệu điện cực và siêu tụ điện đã được công bố từ năm 2018 đến năm 2022.

Nguồn: CSDL WIPO Publish - Cục Sở hữu trí tuệ

Mặc dù số lượng nghiên cứu trong lĩnh vực siêu tụ điện tại Việt Nam chưa nhiều nhưng cũng đã có những thành quả nhất định. Hãy cùng điểm qua một số kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước, trong nỗ lực làm chủ công nghệ chế tạo siêu tụ điện:

Chế tạo prototype siêu tụ dẻo dựa trên hệ vật liệu CNT/Nano Si/PANI

Sau 3 năm thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo siêu tụ trên hệ vật liệu CNT/Nano Si/PANI”, các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao đã chế tạo hoàn chỉnh prototyte siêu tụ dẻo dựa trên điện cực xốp bucky tổng hợp polyme dẫn điện polyanilin (PANi) bằng phương pháp điện hóa và sử dụng màng điện giải là màng giấy lọc thẩm thấu CNTs. Kết quả nghiên cứu đã được nghiệm thu tại Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM năm 2017 và được giới thiệu đến công chúng tại Hội thảo 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” do Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN (Sở KH&CN TP.HCM) tổ chức.

Các siêu tụ dẻo đang trở thành xu hướng được quan tâm nghiên cứu phát triển trên thế giới, nhằm thay thế các siêu tụ không có tính mềm dẻo và kém an toàn (sử dụng chất điện giải lỏng dễ bị rò rỉ và điện cực dẫn là các lá kim loại cứng), ứng dụng trong các thiết bị điện tử có kích thước nhỏ, dẻo và dễ dàng mang theo bên người.

Nghiên cứu sử dụng điện cực nanocomposite ống than nano (CNTs)-polyaniline (PANI) kết hợp với chất điện giải polyvinyl alcohol (PVA) cho kết quả điện dung 170 F/g với điện năng tích trữ lên tới 1,2V (đây là điện áp tối đa mà chất điện giải PVA đạt được). Ưu điểm của chất điện giải PVA là dẻo, an toàn, không cần bao bọc như chất điện giải lỏng, nhưng cần phải bổ sung thêm các chất tan như muối LiCl và làm mỏng để giảm điện trở và dẫn ion tốt, mà vẫn đảm bảo độ bền cơ lý hóa. Khi các đơn tụ được ghép nối, điện áp được tích trữ và có khả năng làm sáng đèn led.

Sản phẩm của đề tài nghiên cứu
(Từ trái qua: Dung dịch gel PVA/LiCl; Điện cực CNTs/PANI; Siêu tụ điện đơn)

Các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao hiện vẫn đang tiếp tục các nghiên cứu liên quan đến chế tạo siêu tụ điện. Nghiên cứu gần nhất là phát triển quy trình mới để tổng hợp PANi bằng thiết bị tạo dòng điện một chiều. Quy trình này đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp Bằng độc quyền GPHI số 2545 và công bố vào ngày 25/01/2021.

Chế tạo siêu tụ điện thế hệ III và IV hiệu năng cao trên cơ sở vật liệu polymer dẫn điện

Nhằm tổng hợp polymer bán dẫn cấu trúc cho - nhận điện tử và ứng dụng vào chế tạo siêu tụ điện thế hệ III và IV hiệu năng cao, các nhà khoa học tại Trường Đại học Bách Khoa (Đại học Quốc gia TP.HCM) đã triển khai nhiệm vụ KH&CN: “Chế tạo siêu tụ điện thế hệ III và IV hiệu năng cao trên cơ sở polymer dẫn cấu dạng cho-nhận electron có độ rộng vùng cấm hẹp và vật liệu sợi nano carbon cấu trúc xốp” từ năm 2018. Kết quả nghiên cứu đã được Bộ Khoa học và Công nghệ nghiệm thu năm 2022.

Các siêu tụ điện loại III và IV sử dụng một điện cực polymer pha tạp p (oxy hóa hoàn toàn) và một điện cực polymer pha tạp n (khử hoàn toàn). Các nhà khoa học đã tổng hợp được polymer cho-nhận liên hợp trên cơ sở đơn vị cấu trúc giàu điện tử 3-hexylthiophene (3HT) và đơn vị cấu trúc nghèo điện tử 2,5-bis(4-bromo-N,N-diphenylaniline)-thiazolo[5,4-d]thiazole (BTT) và benzo[c][1,2,5]thiadiazole (BT) và sử dụng các polymer này làm điện cực cho hai loại siêu tụ điện III và IV. Cấu trúc siêu tụ điện này sẽ giúp gia tăng đáng kể mật độ năng lượng bằng cách mở rộng vùng điện áp hoạt động với khả năng tích trữ điện tích dương lẫn âm.

Kết quả nghiên cứu thành công đã cho thấy tiềm năng phát triển vật liệu polymer bán dẫn mới, góp phần vào việc phát triển các linh kiện điện tử phần mềm như: siêu tụ điện tấm mỏng, pin mặt trời và các transistor hiệu ứng trường hữu cơ (Organic field-effect transistor – OFET).

Chế tạo vật liệu điện cực hiệu năng cao từ vỏ trấu ứng dụng trong siêu tụ và ắc quy

Nhiệm vụ KH&CN theo Nghị định thư: “Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu điện cực hiệu năng cao từ vỏ trấu ứng dụng trong siêu tụ và ắc quy” được tiến hành từ năm 2016 đến năm 2020, với sự hợp tác giữa Viện Kỹ thuật Hóa học (Đại học Bách Khoa Hà Nội) và Đại học Quốc gia Đài Loan, đã đạt được thành quả nghiên cứu là chế tạo được 2 hệ vật liệu điện cực mới: carbon xốp và nano CSiO_x tính năng cao từ vỏ trấu tự nhiên, cũng như siêu tụ điện mẫu sử dụng các loại vật liệu này.

Vỏ trấu có thành phần chủ yếu là cellulose và silic, khi đốt cháy ở điều kiện tự nhiên cho ra hỗn hợp C-SiO₂ với cấu trúc xốp có tính đối xứng cao. Theo các nghiên cứu tại Đài Loan và Hàn Quốc, cùng với công nghệ cho phép tinh chế ra C-Si/C-SiO xốp từ vỏ trấu, nó có tiềm năng trở thành vật liệu có độ hoạt động điện hóa lớn ứng dụng cho cả siêu tụ và ắc quy ion Liti (sử dụng phương pháp khử đẳng nhiệt Magie – magneisothemic reduction).

Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam (chế tạo và nghiên cứu đặc tính vật liệu carbon xốp từ vỏ trấu và carbon xốp lai hóa với oxit kim loại), và Đài Loan (chế tạo và nghiên cứu đặc tính vật liệu CSiO_x từ nano CSiO₂, với phương pháp và thiết bị khử đẳng nhiệt magie). Ngoài ra, siêu tụ và ắc quy mẫu cũng được chế tạo với sự phối hợp của các doanh nghiệp Đài Loan và Việt Nam nhằm đưa kết quả nghiên cứu ra thực tế sản xuất.

Hai phương pháp tổng hợp CSiOx từ vỏ trấu: (a) Quy trình nhiệt magie chuyển hóa; (b) Quy trình nhiệt phân 1 bước (Nguồn: Báo cáo kết quả nghiên cứu)

Kết quả nghiên cứu đã đóng góp vào lĩnh vực vật liệu mới cho ngành công nghệ năng lượng, với nguồn nguyên liệu được sản xuất từ trấu - chất thải nông nghiệp chưa được tái sử dụng một cách triệt để. Nghiên cứu cũng góp phần nâng cao năng lực cho các nhà khoa học Việt Nam, có cơ hội kết nối, học hỏi, tiếp thu kinh nghiệm, kỹ thuật tiên tiến về chế tạo vật liệu điện hóa của Đài Loan trong lĩnh vực vật liệu cho nguồn điện hiện đại. Bên cạnh đó, thành công từ nghiên cứu cũng mở ra tiền đề để triển khai sản xuất các nguồn điện hiệu năng cao quy mô lớn phục vụ vùng biển đảo và các khu vực vùng sâu chưa có điện lưới,…

Sử dụng vỏ sầu riêng chế tạo vật liệu điện cực cho siêu tụ điện

Ngoài vỏ trấu, vỏ sầu riêng cũng là phế phẩm nông nghiệp được khai thác, sử dụng để nghiên cứu chế tạo vật liệu làm siêu tụ điện. Bên cạnh các nhà nghiên cứu chuyên nghiệp, nhóm các bạn trẻ là sinh viên các Trường Đại học Bách Khoa và Trường Đại học Khoa học xã hội và nhân văn (Đại học Quốc gia TP.HCM) cũng đã đề xuất “Nghiên cứu chế tạo vật liệu làm siêu tụ điện từ vỏ sầu riêng” nhằm tạo ra siêu tụ điện với điện cực là vỏ pin lithium được phủ carbon aerogel để tạo ra nguồn năng lượng ổn định cho máy điện châm - thiết bị vật lý trị liệu giúp phục hồi chức năng, ứng dụng phổ biến trong điều trị cơn đau mãn tính, các chứng bệnh về thần kinh, cơ bắp, xương khớp, tuần hoàn - thay vì sử dụng pin với xung điện không ổn định và phải thải bỏ lượng lớn rác điện tử ra môi trường. Kết quả cho thấy, hiệu suất của siêu tụ điện tương đồng với pin, nhưng độ ổn định cao hơn, có thể sử dụng thời gian dài mà không bị nóng máy. Nghiên cứu này đã được Trường Đại học Bách Khoa hỗ trợ kinh phí 20 triệu đồng từ vào tháng 1/2023; lọt top 13 sáng kiến xuất sắc trong cuộc thi Sáng kiến thanh niên về chuyển đổi năng lượng và đảm bảo công bằng xã hội năm 2024 và được đầu tư thêm 50 triệu đồng để tiếp tục phát triển sản phẩm. Nghiên cứu đã mở ra tiềm năng ứng dụng siêu tụ điện để thay thế pin trong các thiết bị y tế, cũng như giải quyết vấn đề rác thải ra môi trường.

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

Có thể thấy, nghiên cứu về siêu tụ điện và vật liệu cho siêu tụ điện của các nhà khoa học Việt Nam đã đạt được một số kết quả tích cực, với nhiều tiềm năng ứng dụng vào thực tiễn. Bên cạnh nỗ lực làm chủ công nghệ tổng hợp vật liệu điện cực và chế tạo siêu tụ điện, việc tận dụng các phế phẩm nông nghiệp thành nguồn nguyên liệu đầu vào vật liệu điện cực cũng thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Trong bối cảnh các trang thiết bị dần chuyển qua tiêu thụ điện năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, tiềm năng ứng dụng của siêu tụ điện cũng sẽ ngày càng lớn hơn. Do đó, đây là một trong những động lực thúc đẩy các nhà khoa học triển khai các nghiên cứu quy mô lớn hơn, hướng đến phát triển và chế tạo các siêu tụ điện ứng dụng trong sản xuất và đời sống, qua đó phát huy tiềm năng kinh tế cho ngành điện Việt Nam.

Duy Sang

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

Tài liệu tham khảo chính

[1] GS.TS. Mai Thanh Tùng và các cộng sự. (2020). Báo cáo kết quả nhiệm vụ KH&CN cấp Quốc gia: "Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu điện cực hiệu năng cao từ vỏ trấu ứng dụng trong siêu tụ và ắc quy".
[2] Thu Trang. (2024). Chế tạo vật liệu làm siêu tụ điện từ vỏ sầu riêng. Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh: https://vnuhcm.edu.vn/tin-tuc_32343364/che-tao-vat-lieu-lam-sieu-tu-dien-tu-vo-sau-rieng/353836323364.html
[3] Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN TP.HCM. (2017). 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.
[4] TS. Đỗ Hữu Quyết và các cộng sự. (2017). Báo cáo kết quả nhiệm vụ KH&CN cấp Tỉnh/Thành phố: "Nghiên cứu chế tạo siêu tụ trên hệ vật liệu CNT/Nano Si/PANI".
[5] TS. Trần Đức Châu và các cộng sự. (2022). Báo cáo kết quả nhiệm vụ KH&CN cấp Quốc gia: "Chế tạo siêu tụ điện thế hệ III và IV hiệu năng cao trên cơ sở Polymer dẫn cấu dạng cho-nhận electron có độ rộng vùng cấm hẹp và vật liệu sợi nano cacbon cấu trúc xốp".