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

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TP.HCM TRUNG TÂM THÔNG TIN VÀ THỐNG KÊ KH & CN  BÁO CÁO PHÂN TÍCH XU HƯỚNG CƠNG NGHỆ Chun đề: 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 Biên soạn: Trung tâm Thông tin Thống kê Khoa học Công nghệ Với cộng tác của:  TS Đỗ Hữu Quyết, CN Trần Phước Toan - Trung tâm Nghiên cứu Triển khai – Ban Quản lý Khu CNC TP HCM TP.Hồ Chí Minh, 05/2017 -1- MỤC LỤC I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện nói chung giới Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện Việt Nam trung tâm nghiên cứu triển khai, khu CNC - TPHCM Đặc điểm số ứng dụng siêu tụ điện II PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾ Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế nghiên cứu siêu tụ điện theo thời gian Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế nghiên cứu siêu tụ điện quốc gia 10 Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế siêu tụ điện theo hướng nghiên cứu ………………… 12 Giới thiệu số sáng chế: 14 III GIỚI THIỆU SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO MỚI PHÁT TRIỂN TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI – BAN QUẢN LÝ KHU CÔNG NGHỆ CAO TP.HCM 17 Giới thiệu siêu tụ điện dẻo công nghệ Nano 17 Kết kiểm tra sản phẩm siêu tụ điện công nghệ nano so với sản phẩm thương mại thị trường 18 2.1 Hình ảnh siêu tụ điện 18 2.2 Kiểm tra điện dung điện áp 18 2.3 Kiểm tra tuổi thọ nạp xả 19 2.4 Kiểm tra lưu giữ điện áp ngày 20 2.5 Kiểm tra nhiệt độ làm việc 21 2.6 Nội trở mạch điện tương đương 21 2.7 So sánh thông số Stack bipolar tụ 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 -2- 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 *********************** I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện nói chung giới Siêu tụ điện (tiếng Anh supercapacitor, electrochemical capacitor hay ultracapacitor) coi mơ hình lưu trữ điện trung gian pin (công suất thấp/năng lượng cao) tụ điện (công suất cao/năng lượng thấp) Nhằm tăng khả thâm nhập thị trường, đáp ứng nhu cầu đa dạng cho nhiều ứng dụng công nghệ khác (máy tính, thiết bị cơng cụ cầm tay, thiết bị lưu trữ điện gia dụng công nghiệp, hệ thống lưu trữ điện phương tiện giao thông vận tải…) tiếp tục cải thiện thông số vận hành, nhiều nghiên cứu siêu tụ thu hút đầu tư mạnh mẽ công ty, tập đoàn lớn giới trung tâm nghiên cứu, trường đại học nhiều nước Hiện nay, siêu tụ điện nhóm hybrid capacitor (siêu tụ hệ nhất) thu hút quan tâm đặc biệt kết hợp nhiều ưu điểm dạng siêu tụ hệ trước với tính bật đặc thù tụ điện truyền thống pin/ắc quy, cung cấp tính vận hành đặc biệt cho yêu cầu chuyên dụng Nhóm siêu tụ chia thành phân nhóm nhỏ dựa đặc tính electrode (điện cực) bao gồm composite, asymmetric batterytype  Asymmetric electrode: với dạng siêu tụ này, điện cực dương âm chế tạo từ vật liệu khác Thông thường, polymer dẫn điện chọn làm điện cực dương carbon hoạt tính làm điện cực âm [1] Sự kết hợp dẫn đến dạng siêu tụ có số mật độ công suất lượng cao siêu tụ dạng double – layer có tuổi thọ sử dụng cao siêu tụ dạng pseudo [9-11]  Battery – type electrode: siêu tụ dạng có cấu trúc tương tự với asymmetric electrode Điểm khác biệt điện cực hoạt động theo chế siêu tụ (vật liệu thường sử dụng carbon hoạt tính) lại hoạt động theo chế battery (vật liệu thường dùng nickel hydroxide, chì dioxide, LTO (Li4Ti5O12)) Cấu trúc siêu tụ dạng cho kết hợp ưu điểm bật battery (khả tích trữ lượng cao) với đặc điểm bật siêu tụ (mật độ công suất lớn, tuổi thọ dài, thời gian nạp nhanh) [12-14]  Composite electrode: Hai nhóm tối ưu hóa đặc tính tụ điện dựa thiết kế hai cực tụ sử dụng loại điện cực khác Vì điều quan trọng phải tìm vật liệu tốt để làm điện cực Loại vật liệu -3- trọng phát triển giới cho linh kiện dự trữ lượng nói chung siêu tụ điện nói riêng vật liệu composite dạng vật liệu carbon (đặc biệt CNTs [18]) polymer dẫn điện oxide kim loại hay số vật liệu dạng nano Đặc điểm bật loại điện cực dạng kết hợp nguyên lý tạo điện dung (tĩnh điện điện hóa) Vật liệu carbon tạo điện dung qua chế double – layer, đồng thời đóng vai trị hệ khung có diện tích bề mặt riêng lớn để vật liệu khác bám dính lên, qua tạo điện dung cho siêu tụ qua chế giả điện dung Trong đó, hệ điện cực composite nghiên cứu kỹ cho kết tốt hệ CNT – polypyrrole, graphene/polyaniline nanofiber hay graphene/MnO2 với tính vượt trội so sánh với điện cực chế tạo đơn từ CNT hay polypyrrole đơn lẻ [4-6] Một số công trình cơng bố gần cho kết tương đối khả quan cho hệ composite CNT – polyaniline [7] nano Si – polyaniline (PANI) [8] Ngoài điện cực đóng vai trị quan trọng việc định độ lớn điện dung nguyên lý hoạt động siêu tụ, thành phần khác cấu trúc siêu tụ có ảnh hưởng quan trọng tới hiệu hoạt động toàn linh kiện, chất điện giải màng ngăn cách Chất điện giải sử dụng siêu tụ thơng thường dạng lỏng, dung mơi hữu dạng dung dich nước Tuy nhiên, điều tạo nhiều hạn chế trình sử dụng bảo quản nên gần đây, chất điện giải dẻo nghiên cứu, sử dụng để thay cho chất điện giải lỏng truyền thống Chất điện giải dẻo với điện cực, điện cực dẫn dẻo tạo siêu tụ dẻo, sản phẩm thu hút quan tâm lớn nghiên cứu ứng dụng tiềm linh kiện điện tử, xe điện, lượng tái tạo … Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện Việt Nam trung tâm nghiên cứu triển khai, khu CNC - TPHCM Do hấp dẫn thị trường siêu tụ, nghiên cứu vật liệu cho loại linh kiện ý Việt Nam Đã có số cơng bố nghiên cứu chế tạo vật liệu MnO2 làm điện cực theo chế giả điện dung, đáng ý công bố kết điện dung 199 F/g nhóm nghiên cứu Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, thuộc Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh [36] Ngồi ra, có nghiên cứu vật liệu cho điện cực lớp kép, sử dụng cấu trúc thớ nano (nanofibrillar) [37] Nhìn chung, nghiên cứu tụ điện Việt Nam dừng lại chế tạo khảo sát số vật liệu phổ biến để làm điện cực Cho nên, để phát triển công nghệ siêu tụ điện nước ta, cần nghiên cứu sâu vật liệu nghiên cứu chế tạo linh kiện hoàn chỉnh Trên tinh thần này, trung tâm nghiên cứu triển khai thuộc khu CNC – TPHCM có nghiên cứu quan trọng ban đầu vật liệu linh kiện siêu tụ điện Các vật liệu CNTs, PANI tổng hợp siêu tụ đơn dẻo dựa giấy bucky màng điện giải dẻo PVA chế tạo Qua kiểm tra, đo đạc đặc tính điện hóa, giấy bucky polymer PANI thể điện dung riêng khoảng 20 F/g 48.5 F/g, tương đương với mức điện dung mà công -4- bố tài liệu nghiên cứu khoa học [38] Những kết tiền đề quan trọng cho việc thực thành cơng đề tài Sắp tới, nhóm nghiên cứu tiến hành tổng hợp kiểm tra tính chất điện hóa vật liệu V2O5 giấy bucky Vật liệu oxit thể khả dự trữ điện lớn (hơn 1000 F/g) phủ lên giấy bucky môi trường siêu tới hạn, theo nghiên cứu tiến sĩ thành viên chủ nhiệm đề tài (TS Đỗ Hữu Quyết) [39-40] Trong nghiên cứu trung tâm nghiên cứu triển khai, V2O5 tổng hợp phương pháp điện hóa để có giá thành thấp dễ dàng triển khai sản xuất quy mô lớn Hình 1: Một số kết nghiên cứu siêu tụ điện ban đầu Trung tâm Nghiên cứu triển khai Hình 2: Quy trình chế tạo giấy Bucky phương pháp lọc chân không -5- Đặc điểm số ứng dụng siêu tụ điện Siêu tụ điện có điện dung lớn so với tụ điện thông thường nên chứa nhiều điện (năng lượng điện 1/2CU2) Hơn q trình nạp điện, phóng điện trình vật lý, điều khiển điện tích chuyển động điện trường, khơng dùng đến phản ứng hóa học Nhờ siêu tụ điện bền, khơng chóng bị suy thối: thời gian sử dụng hàng chục năm, nạp nạp lại 500.000 lần (ăcquy, pin nạp loại tốt nạp nạp lại vài ngàn lần, thời gian sử dụng cỡ vài năm) Việc nạp điện hay phóng điện cho siêu tụ điện tiến hành nhanh cách dùng điện trường điều khiển ion chuyển động để chạy vào lỗ nhỏ than hoạt tính (khi nạp) cho electron chạy mạch ngồi để cân loại ion dương âm tập trung điện cực than (khi phóng) Ở pin nạp phải chờ thời gian trao đổi phản ứng hóa học nên khơng thể nạp nhanh phóng nhanh Do cấu tạo lớp điện tích kép, hai cực siêu tụ điện chịu hiệu điện cỡ 2, vơn Vì muốn làm việc điện cao, phải ghép nối tiếp nhiều siêu tụ điện Cũng cấu tạo điện cực bên gần điện tích nạp cho siêu tụ điện dễ bị rị rỉ nên khơng giữ lâu Siêu tụ điện tự bị sụt nhanh pin nạp, ăcquy - Những thông số kỹ thuật đáng ý đặc điểm kích thước giá thành Đối với nguồn điện lưu động người ta đưa tiêu chuẩn lượng tạo ứng với đơn vị khối lượng nguồn: Wh/kg (Watt giờ/kilogam) Xét mặt siêu tụ điện loại tốt có mật độ lượng xấp xỉ 60Wh/kg, nửa pin nạp tốt Li-ion 120Wh/kg Tuy nhiên nghiên cứu công nghệ nano cho thấy làm siêu tụ điện với ống nanocacbon mật độ công suất đến 100kWh/kg nghĩa ba bậc cao mật độ công suất pin nạp tốt Về giá thành người ta thường tính theo đơn vị đơla Farad nghĩa để chứa Farad tiền Năm 1980 siêu tụ điện 2,3 vôn; điện dung 470 Farad hãng Panasonic chế tạo tính giá thành đơla Farad Hiện giá thành siêu tụ điện giảm xuống cịn 0,1 đơla Farad dự tính mai giảm xuống cịn 0,005 đơla Farad -6- Có thể kể vài ứng dụng siêu tụ điện - Ứng dụng giao thông: Trung Quốc thử nghiệm từ 2005 Thượng Hải loại xe buýt điện gọi Capabus (Capacitor Bus) Loại xe trang bị động điện chạy điện chứa siêu tụ điện Dọc đường xe chạy khơng có đường dây căng để xe có cần lấy điện từ đường dây xe buyt chạy điện thông thường Ở trạm đỗ xe dọc đường có chỗ lấy điện để nạp nhanh điện cho siêu tụ điện, thời gian nạp điện ngắn thời gian hành khách lên xuống, trạm dừng xe đầu cuối có chỗ nạp điện thật no cho siêu tụ điện Năm 2001 2002 nước Đức thử nghiệm tuyến xe buýt công cộng sử dụng kết hợp diesel siêu tụ điện Từ năm 2003 Manheim Sadbahn, nước Đức vận hành tuyến đường sắt nhẹ sử dụng siêu tụ điện để tích lượng phanh Siemens AG phát triển Sibac Energy Storage dựa siêu tụ điện dùng cho phương tiện di động Công ty Senelec phát triển hệ thống giao thông dựa siêu tụ điện Cùng với phát triển công nghệ nano, siêu tụ điện có tương lai đầy hứa hẹn Bên cạnh đó, công nghệ siêu tụ điện ứng dụng cho xe điện Tây Ban Nha Pháp cho xe điện xe bus “lai” tồn giới Đối với xe bus, cơng nghệ giảm khoảng 30% lượng khí thải cácbon MAN, công ty sản xuất phương tiện trọng tải lớn Munich ước tính toa xe có lắp thiết bị siêu tụ điện tiết kiệm khoảng 4500 USD năm chi phí nhiên liệu - Ứng dụng lượng tái tạo: Đặc điểm lượng tái tạo lượng mặt trời, lượng gió v.v… lúc có, lúc khơng, lúc có nhiều, lúc lại Thí dụ pin mặt trời cung cấp điện tốt vào số ban ngày, lúc nắng to cho dòng điện mạnh, lúc mưa gió, trời tối dịng điện yếu khơng Lâu nay, người ta phải dùng ăcquy để tích điện, để nạp điện cho ăcquy no phải chờ từ vài đến nửa ngày Nếu dùng siêu tụ điện, điện từ pin mặt trời mạnh đến tích hết vào siêu tụ điện, khơng để “lãng phí” chút Đối với lượng gió vậy, lúc gió to, siêu tụ điện kịp chứa hết điện sinh Mặt khác trở ngại sử dụng lượng tái tạo phải dùng ăcquy để chứa điện ăcquy nạp lại số lần, nói chung cỡ nửa năm, hay năm phải thay ăcquy vừa tốn lại thời Còn dùng siêu tụ điện phải mười năm phải thay Tại Việt Nam, tác giả Võ Trần Tấn Quốc Nguyễn Chí Ngơn, Trường đại học Cần Thơ có đề tài khoa học “Nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện” - Nghiên cứu tìm kiếm giải pháp ứng dụng siêu tụ điện để tích trữ lượng điện mặt trời thay cho ắc-quy; nhằm mục đích phục vụ ứng dụng công suất thấp -7- đèn chiếu sáng, đèn cảnh báo, cấp nguồn cho thiết bị điện tử quan trắc môi trường, cảm biến công nghiệp mơi trường độc hại, hay thay bình ắcquy xe gắn máy – vốn phổ biến Việt Nam Nhưng siêu tụ điện có nhược điểm tích điện khơng lâu rị điện nội hai cực Giải pháp tối ưu số trường hợp dùng song song siêu tụ điện ăcquy Nguồn điện tái tạo (pin mặt trời lượng gió chẳng hạn) tạo điện năng, siêu tụ điện chứa hết siêu tụ điện lại từ từ nạp điện cho ăcquy Nhờ ăcquy ln nạp điện đầy đủ vừa ln ln có điện để dùng, vừa lâu phải thay ăcquy ăcquy chóng hỏng nạp điện cho ăcquy không đầy đủ, ăcquy cạn kiệt Siêu tụ điện đặc biệt có ích dùng để thu gom lượng mát, bỏ Một xe ôtô phải mát lượng xăng dầu để lăn bánh, lúc phanh lại, ơtơ hết động tích lũy Người ta lắp vào ơtơ phận phát dịng điện mạnh xe ôtô hãm phanh Điện phát chứa vào siêu tụ điện Người ta lại dùng điện chứa tụ điện để khởi động xe lúc khởi động, xe từ đứng yêu đến chuyển động tốn nhiều lượng Tương tự cần cẩu nâng vật lên cao tốn nhiều lựợng có lượng để nâng vật khơng lượng để nâng thân cần cẩu phận để kẹp giữ vật nâng Người ta làm phận tự động phát điện cần cẩu hạ xuống, dòng điện sinh mạnh thời gian tương đối ngắn tích lũy lại siêu tụ điện dùng để phục vụ cho việc nâng cần cẩu lên thời gian tiếp sau Hiện nhiều nhà nghiên cứu, nhiều hãng đẩy mạnh việc cải tiến, chế tạo siêu tụ điện, đặc biệt vận dụng cơng nghệ nano sử dụng vật liệu có nhiều lỗ nhỏ, diện tích mặt ngồi cực lớn vật liệu làm từ ống nanơ cacbon Siêu tụ điện có vai trò quan trọng xu tiết kiệm lượng, sử dụng lượng xanh hay lượng tồn giới khuyến khích đẩy mạnh -8- II PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾ Siêu tụ điện giải pháp lưu trữ lượng dần thay tụ điện thông thường pin sạc, siêu tụ phát triển chủ yếu vào việc ứng dụng phương tiện vận chuyển tàu hỏa, cần cẩu, ô tô, xe buýt, thang máy loại xe điện Các đơn vị nhỏ siêu tụ sử dụng làm nhớ lưu cho nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM) Ngoài ra, siêu tụ sử dụng ứng dụng liên quan đến lượng mặt trời, pin, pin dự phòng, đèn flash Theo Công ty nghiên cứu thị trường đa quốc gia Lux Research cho biết, thị trường cho siêu tụ điện tăng gấp đôi từ 466 triệu USD năm 2013 lên 836 triệu USD vào năm 2018 Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế nghiên cứu siêu tụ điện theo thời gian Theo nguồn CSDL sáng chế Derwent Innovation, sáng chế nghiên cứu siêu tụ điện đăng ký vào cuối thập niên 60, từ năm 1967 đến có khoảng 8.129 sáng chế đăng ký Vào năm 1967 có sáng chế đăng ký bảo hộ Mỹ có số đơn US1967655975A, tác giả là: O Raleigh Douglas Sáng chế đăng ký “Bộ siêu tụ điện trạng thái rắn ion” Có thể nói, thập niên đầu, 70 80 giai đoạn tiền nghiên cứu siêu tụ điện, đó, lượng sáng chế đăng ký nghiên cứu siêu tụ điện khơng nhiều, trung bình năm có khoảng sáng chế đăng ký Sang thập niên 90, lượng sáng chế đăng ký nghiên cứu siêu tụ điện tăng nhẹ, trung bình năm có khoảng 48 sáng chế đăng ký Từ năm 2000 đến nay, lượng sáng chế đăng ký nghiên cứu siêu tụ điện bắt đầu tăng mạnh, từ 221 sáng chế đăng ký vào năm 2000, tăng dần lên đạt cao vào năm 2014 với lượng sáng chế đăng ký 796 Trong năm trở lại đây, từ năm 2012 – 2015, lượng sáng chế đăng ký nghiên cứu siêu tụ điện cao, 700 sáng chế – điều cho thấy tiềm lớn siêu tụ điện Năm Lượng sáng chế đăng ký 2012 2013 2014 2015 742 737 796 780 -9- Hình 3: Tình hình đăng ký sáng chế nghiên cứu siêu tụ điện theo thời gian Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế nghiên cứu siêu tụ điện quốc gia Hiện nay, sáng chế nghiên cứu siêu tụ điện đăng ký bảo hộ khoảng 48 quốc gia toàn giới tổ chức [WO - tổ chức giới (762 SC), EP – tổ chức châu Âu (498 SC)] Trong đó, quốc gia tập trung nhiều sáng chế đăng ký bảo hộ: Trung Quốc: 2.356 SC, Mỹ: 1.335 SC, Nhật Bản: 1.313 SC, Hàn Quốc: 636 SC, Đài Loan: 201 SC Trong quốc gia dẫn đầu số lượng sáng chế đăng ký bảo hộ có đến quốc gia thuộc khu vực Châu Á Hình 4: Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế nghiên cứu siêu tụ điện quốc gia - 10 - III GIỚI THIỆU SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO MỚI PHÁT TRIỂN TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI – BAN QUẢN LÝ KHU CÔNG NGHỆ CAO TP.HCM Giới thiệu siêu tụ điện dẻo công nghệ Nano Nhu cầu thay pin truyền thống thiết bị điện tử cầm tay đeo người mà đặc biệt thiết bị mềm dẻo thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu siêu tụ dẻo [19, 20] Nhóm tác giả mà dẫn đầu Giáo sư Munir Nayfeh chế tạo siêu tụ dẻo dựa điện cực composite CNT – polyaniline chất điện giải dẻo polyvinyl alcohol (PVA), đạt mật độ công suất từ 0.004 đến 0.2 kW Kg-1 mật độ lượng từ 0.3 đến 0.6 Wh Kg-1 [7,8] Kết khiêm tốn sử dụng phương pháp chế tạo đơn giản trộn composite quét lên bề mặt chất điện giải dẻo PVA Cũng từ vật liệu này, nhóm tác giả từ đại học Thanh Hoa chế tạo điện cực cho kết tốt cách chế tạo polymer PANI trực tiếp mạng CNTs thông qua q trình điện hóa [17] Để cải thiện khả dự trữ điện vật liệu điện cực, ta tích hợp thêm hạt nano Silic loại vật liệu chứng minh có khả lưu trữ lượng lớn cơng nghệ pin Lithium Nhóm tác giả Giáo sư Munir Nayfeh chứng minh giả thuyết phương pháp đơn giản trộn nano Si với polyaniline dạng dung dịch phân tán Composite tạo làm điện cực có điện dung cao gấp lần điện cực làm từ polyaniline túy Vì tích hợp hạt nano Silic PANI trực tiếp mạng CNT dựa trình điện hóa đạt kết cao so với kết tụ điện hai nhóm Trong đề tài này, siêu tụ điện dẻo có hiệu cao chế tạo sở hệ composite nano Si, PANI CNTs Cơng nghệ điện hóa sử dụng để tổng hợp hệ vật liệu so sánh với phương pháp khuấy trộn – quét mà nhóm giáo sử Nayfeh thực Ngồi nano Silic, V2O5 vật liệu tiềm để lắng đọng lên màng xốp CNTs-PANI V2O5 nghiên cứu sử dụng cho tụ điện theo chế giả điện dung từ lâu [21-37] vật liệu ưa thích để chứa ion Li+ cho pin [2834] Ngồi giá thành thấp, Vanadium có dải hóa trị rộng trọng lượng phân tử nhỏ làm cho mật độ lưu trữ điện dung cao Tuy nhiên thách thức lớn V2O5 tuổi thọ phóng nạp khả dẫn điện thấp Do điện tích chứa lớp mỏng bề mặt lớp oxit nên để làm cho vật liệu có hiệu cao oxit cần chế tạo để có bề mặt riêng cao cần dựa vật liệu dẫn điện tốt, chẳng hạn mạng lưới CNTs-PANI Để thương mại hóa siêu tụ dựa tảng V2O5, chu kỳ phóng nạp vật liệu cần cải thiện Một nghiên cứu gần chứng minh chất điện giải làm từ polymer cải thiện tốt tuổi thọ phóng nạp V2O5 [35] Do siêu tụ dẻo làm từ mạng composite CNTs-PANI- V2O5 chất điện giải dẻo PVA mong đợi khơng có mật độ lượng mật độ công suất cao mà cịn có tuổi thọ dài - 17 - Kết kiểm tra sản phẩm siêu tụ điện công nghệ nano so với sản phẩm thương mại thị trường 2.1 Hình ảnh siêu tụ điện Ảnh chụp mẫu stack siêu tụ điện ghép lưỡng cực, với kích thước chưa thu gọn: 12 cm2 số lớp đơn tụ lớp thể hình Trên hình, đèn LED xanh dương với điện áp chiếu sáng khoảng 3V siêu tụ điện nạp đầy chiếu sáng Điều chứng tỏ điện áp tụ điện nạp vượt 3V Hình 7: Hình ảnh stack siêu tụ điện ghép bipolar lớp 2.2 Kiểm tra điện dung điện áp Để kiểm tra tính chất điện hóa điện dung, điện áp làm việc, phản ứng oxi hóa khử, phép đo quét vòng phương pháp hữu hiệu để đánh giá Đường cong quét vòng 10 mV/s, từ -3 V đến V stack siệu tụ thể hình Dịng điện trung bình nạp/xả tụ điện ~34 mA Do đó, điện dung trung bình (C = I/s) đạt khoảng 3,4 F Trong vùng phóng nạp -3V đến 3V, khơng có đột biến dòng điện, chứng tỏ điện áp làm việc tụ đạt 3V Phần đuôi cong lên gần V cong xuống gần -3 V tác động dòng rò - 18 - Hình 8: Đặc trưng CV tốc độ quét 10mV/s stack siêu tụ 2.3 Kiểm tra tuổi thọ nạp xả Điện dung pin, ắc quy thường bị giảm dần theo số lần phóng nạp Siêu tụ điện có tượng vậy, suy giảm nhỏ nhiều Để kiểm tra điều này, stack siêu tụ điện nạp xả với tốc độ cao (100 mV/s) 500 vòng đồ thị dòng điện với thời gian thể hình Điện dung siêu tụ tỷ lệ với dòng điện Từ đồ thị, ta thấy đ iện dung giữ 82% sau 500 vòng nạp xả Sự suy giảm chủ yếu phản ứng bất thuận nghịch thường xảy chu kỳ đầu phóng nạp Càng sau, suy giảm nhỏ dần Sự suy giảm tạp chất dung dịch sau thời gian, lắng đọng bề mặt điện cực, làm giảm khả tích trữ điện tích vật liệu điện cực Ngồi ra, thối hóa vật liệu điện cực nguyên nhân quan trọng vấn đề Để cải tiến vấn đề này, quy trình chế tạo, nguyên vật liệu xử lý sẽ, cẩn thận tránh làm ăn mịn thối hóa điện cực dẫn, tuổi thọ siêu tụ tăng lên đáng kể hình 9, phóng nạp 1560 lần, giữ 99% dòng điện - 19 - Hình 9: Đặc trưng dịng điện qt kiểm tra tuổi thọ nạp xả 2.4 Kiểm tra lưu giữ điện áp ngày Để kiểm tra khả giữ điện áp, stack siêu tụ nạp đến 3V giữ 20 phút Sự biến thiên điện áp ngày điều kiện không tải thể hình 10 Sau ngừng nạp, điện áp giữ vào khoảng 2,8 V sụt giảm dần 0,6 V ngày Sự suy giảm nhanh ban đầu tác động nội trở Sự suy giảm sau dòng rò phân bố lại điện tích bên điện cực siêu tụ điện - 20 - Hình 10: Sự sụt điện áp stack siêu tụ tượng tự xả 2.5 Kiểm tra nhiệt độ làm việc Khi giảm nhiệt độ 0°C cách nhúng siêu tụ túi nilon vào nước đá tan, siêu tụ điện có điện áp lưu trữ cao điều kiện nhiệt độ phịng Hình 11 thể điện áp stack siêu tụ đạt 3,2 V sau nạp nhanh đến 3,3 V Điều nhiệt độ lạnh, khuếch tán ion nhỏ hơn, dẫn tới rò rỉ điện tích thơng qua lớp bề mặt tiếp xúc điện cực chất điện giải nhỏ Và đó, siêu tụ điện giữ điện áp cao Hình 11: Thí nghiệm kiểm tra nhiệt độ làm việc kết 2.6 Nội trở mạch điện tương đương Công suất siêu tụ lượng lượng siêu tụ giải phóng/thu nạp đơn vị thời gian Cơng suất thay đổi phụ thuộc vào tải tiêu thụ (r)/nguồn nạp, tính cơng thức: - 21 - Trong P cơng suất, i dịng điện u điện áp siêu tụ lúc làm việc Tuy nhiên, công suất siêu tụ thông số vô hạn, kể cho tải tiêu thụ mức tối đa (r tiến tới 0) cơng suất bị giới hạn điện áp tối đa (V) siêu tụ nội trở (ri) Khi r nhỏ u nhỏ theo Khi siêu tụ có điện áp tối đa, công suất tụ sau: Công suất siêu tụ đạt tối đa r = ri Khi Cơng suất siêu tụ lớn hữu ích nhiều ứng dụng cần có cơng suất cao khởi động động cơ, ổn định mạng lưới điện, đóng mở/xoay chuyển thiết bị, cửa hiểm Để đánh giá công suất tối đa siêu tụ, thiết phải đo nội trở ri Phương pháp đo phổ tổng trở sử dụng để đo ri khảo sát đặc tính điện/điện hóa siêu tụ Phổ tổng trở dạng Nyquist stack ghép lưỡng cực thể Hình 12 Đường phổ kết phép đo điện trở thực ảo tụ điện tần số khác từ 10.000 Hz đến 100 mHz, với điện áp dao động +/- 10 mV xung quanh giá trị điện áp hở mạch Phần ảo thể dung kháng tụ, phần thực điện trở Ohmic Trên hình ta thấy bắt đầu vài điểm điện trở ảo âm, tức siêu tụ thể tính cảm kháng, nhiễu tần số cao Tiếp đến vịng bán nguyệt, có điểm đầu cuối sát trục hồnh, có điện trở thực khoảng 0,2 Ohm 0,29 Ohm Ở tần số (ω) cao, dung kháng gần vì: - 22 - Khi đó, tụ điện cịn túy trở kháng Ohmic (Rs), bao gồm điện trở điện cực, dây dẫn, mối nối điện trở ion dung dịch điện giải Để hiểu hình thành vịng bán nguyệt dựa chất hai loại điện dung vật liệu điện cực làm việc, điện dung double-layer (C0) giả điện dung (Cs) Điện dung double-layer điện dung tĩnh điện bề mặt vật liệu lớp tiếp xúc điện giải Còn giả điện dung song song với điện dung double-layer, sinh phản ứng oxi hóa khử vật liệu điện cực dung dịch điện giải Phản ứng oxi hóa khử kèm theo điện trở Faradaic trao đổi điện tích (Rct) nối tiếp Như hình dung mạch điện tương đương gồm điện trở Rs nối nối tiếp với cụm mạch song song C0 (Cs nối tiếp với Rct) Cần phải xem xét thêm, siêu tụ đặt dao động điện tạo dạng sóng lớp hạt tích điện dung dịch, điện cực làm việc Do thành phần (Cs nối tiếp với Rct) biểu diễn cấu trúc Warburg Circuit (Wo) hình 13 Từ mạch tương đương, chuẩn hóa mơ hình, tính thơng số vật lý, hóa học siêu tụ điện phần mềm Zview Trong trường hợp siêu tụ hình 13a, điểm giao sát trục hồnh vịng bán nguyệt điện trở Ohmic 0,2 0,29 Ohm Rs Rs + Rct Do nội trở (Rs + Rct) siêu tụ đạt 0,29 Ohm Hình 12: Phổ tổng trở siêu tụ - 23 - Hình 13: Phổ tổng trở mơ hình mạch điện tương đương 2.7 So sánh thông số Stack bipolar tụ Như phần trình bày, đo đạc nội trở ri = Rs + Rct siêu tụ điện, ta tính công suất riêng cực đại siêu tụ: Các thơng số stack siêu tụ sau: • Khối lượng m = 4.8 g • Điện dung C = 3,6 F • Kích thước: 3x4 cm2 • Nội trở: ri = 0.29 ohm • Vmax = ~3.3 V Mật độ lượng cơng suất tính sau: • Pmax = 2,33 kW/kg • Emax = 1.35 Wh/kg - 24 - Hình 14: Giản đồ Ragon so sánh thông số lượng công suất Trong giản đồ Ragone (hình 14) thấy siêu tụ điện chiếm vị trí quan trọng mặt lượng công suất Hiện việc lưu trữ lượng vần đề cần thiết điều đáp ứng siêu tụ điện có mật độ cơng suất cao mật độ lượng lớn Ngoài ra, stack siêu tụ hoạt động phạm vi rộng nhiệt độ có tuổi thọ nạp xả dài điểm bật cho ứng dụng Các tụ điện hóa học (electrochemical capacitor, EC) thương mại khơng có mật độ lượng lớn pin, để đáp ứng cho thiết bị có trọng lượng từ đến 10 kg Tuy nhiên, mật độ công suất EC lại vượt xa so với pin, với khả sạc xả lượng tích trữ vài giây có tuổi thọ lên đến 106 chu kỳ nạp xả phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, đáp ứng tiêu chuẩn mơi trường thiết bị tái chế KẾT LUẬN: Tóm lại, nhóm nghiên cứu đạt quy trình chế tạo điện cực composite với thành phần CNT/Nano Si/PANI với điện dung cao 612.7 F/g CNT/PANi/V2O5 415 F/g cao so với điện dung điện cực đăng ký từ 200 – 350 F/g Các mẫu tế bào siêu tụ dẻo với tính vượt trội mật độ lượng công suất Các sản phẩm sở để tiến tới ghép nối chế tạo siêu tụ hoàn chỉnh cho thiết bị điện tử dẻo, mang người - 25 - ... 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 *********************** I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SIÊU TỤ ĐIỆN... chế đăng ký việc ứng dụng công nghệ nano chế tạo siêu tụ điện năm tăng theo xu hướng chung nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện b Hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện lĩnh vực có lượng sáng chế đăng... ứng dụng siêu tụ điện Siêu tụ điện có điện dung lớn so với tụ điện thơng thường nên chứa nhiều điện (năng lượng điện 1/2CU2) Hơn q trình nạp điện, phóng điện q trình vật lý, điều khiển điện tích