CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA CARBON NANOTUBES
3.2 Ứng dụng trong năng lượng
Sử dụng CNTs trong pin lithium có thể tăng dung lượng pin lên 10 lần. Các nhà nghiên cứu tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra rằng, nếu sử dụng các ống nano carbon đã qua xử lý để làm điện cực, chúng có thể tăng năng lượng tích lũy trên mỗi đơi vị trọng lượng của pin lên hơn 10 lần. Pin có sự ổn định rất tốt theo thời gian, sau 1000 chu kì sạc và xả pin thử nghiệm, không phát hiện sự thay đổi của vật liệu. Điều này hứa hẹn khả năng ứng dụng CNTs trong xe hơi, các thiết bị cầm tay. Bằng phương pháp “layer by layer” các nhà khoa học đã chế tạo được điện cực dương làm từ MWCNTs và cực âm làm từ lithium titanium oxide. Thông qua ảnh TEM độ phân giải cao và so sánh chu trình phóng nạp của pin trước và sau khi xử lý nhiệt với khí hydro, họ chứng minh được rằng sự cải thiện về mặt tích trữ năng lượng là do các nhóm chức có chứa oxygen trên bề mặt của CNTs.
Hình 19 Ứng dụng CNTs làm điện cực trong pin lithium
Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng, đường kính chỉ vài nanometer nên CNTs có thể tích trữ chất lỏng hoặc khí trong lõi trơ thông qua hiệu ứng mao dẫn. Hấp thụ này được gọi là hấp thụ vật lý. CNTs cũng có thể hấp thụ nguyên tử hydrogen theo hóa học nên được sử dụng cho việc tích trữ hydro, làm thành pin nhiên liệu dùng cho ô tô.
Bằng cách xử lý CNTs trong một dung dịch siêu acid, các nhà khoa học ở Đại học Rice (Mỹ) đã thu được những sợi dài, có thể sử dụng làm những dây dẫn nhẹ, hiệu quả cho mạng lưới điện hoặc làm cơ sở cho các vật liệu dẫn điện. Họ đã tìm ra phương pháp mới để lắp ráp CNTs với nhau bằng cách hòa tan CNTs vào trong dung dịch siêu acid chlorosulfonic tạo ra dung dịch có nồng độ về khối lượng lên đến 0,5 wt% cao hơn 1000 lần so với các acid đã báo cáo trước đó. Ở trạng thái mật độ cao này, chúng tạo thành tinh thể lỏng, có thể tạo thành những sợi dài hàng trăm mét hoặc nguyên khối. Vì CNTs rất bền nên CNTs có thể sẽ thay thế dây điện kim loại truyền thống trong tương lai.
Tụ điện là một linh kiện điện học dùng để nạp điện, tích điện và phóng điện khi cần thiết. Tụ điện và pin cùng có chức năng tích trữ năng lượng. Nhưng pin phóng điện với tốc độ chậm hơn trong khi tụ điện phóng điện thật nhanh. Cũng như pin, các nhu cầu hiện đại đòi hỏi tụ điện nạp điện nhanh và trữ năng lượng cao. Do bản chất, kích cỡ của tụ điện nên nó thường rất cồng kềnh và nặng. Tụ điện cần phải được thu nhỏ và gia tăng hiệu suất để đáp ứng nhu cầu của các dụng cụ điện tử hiện đại. Những đòi hỏi này đã đẩy mạnh sự ra đời của siêu tụ điện. Siêu tụ điện có năng suất cao và
được thu nhỏ nhiều lần. Chiếc đèn chớp của máy ảnh kỹ thuật số là một ứng dụng của siêu tụ điện. Mỗi lần chớp sáng là do sự phóng điện thật nhanh từ siêu tụ điện. Sau đó siêu tụ điện nhanh chóng nạp điện từ nguồn điện của pin rồi sẵn sàng cho ánh chớp kế tiếp. Siêu tụ điện còn được cài đặt trong dụng cụ cầm tay như chiếc điện thoại thông minh cực kỳ hiện đại đến những phương tiện to lớn như xe hơi chạy điện. Siêu tụ điện có thị trường rộng lớn và tiềm năng doanh thu dồi dào.
Vấn đề tích trữ năng lượng trong pin hay siêu tụ điện liên quan đến việc di chuyển và tích trữ ion. Cả hai dụng cụ tích điện này đều cần chất điện giải trong đó có ion âm và dương. Trong pin, phản ứng hóa học sẽ di chuyển ion của chất điện giải đi vào hay ra khỏi điện cực tương ứng với quá trình pin nạp điện hay phóng điện. Trong siêu tụ điện, điện trường kích động sự di chuyển của ion nhập vào hay ra khỏi bề mặt điện cực trong việc nạp hay phóng điện mà không qua trung gian của một phản ứng hóa học. Đây là sự khác biệt giữa pin và tụ điện. Cũng vì sự khác biệt này nên sự phóng điện của pin là một quá trình lâu dài với điện lượng nhỏ trong khi sự phóng điện của tụ điện xảy ra trong khoảnh khắc phóng thích điện lượng cao.
Cơ sở lý luận cho việc chế tạo siêu tụ điện tương đối đơn giản. Đặc tính của tụ điện được diễn tả bằng điện dungCvà có công thức như sau:
Trong đó:εlà hằng số điện môi,Alà diện tích của điện cực vàdlà khoảng cách giữa hai điện cực.
Vì vậy, để điện có thể "tụ" ở mật độ cao (điện dungCcao), εphải lớn, Arộng vàdnhỏ. Trong ba biến số này thì sự lựa chọn vật liệu có hằng số điện môiε lớn có nhiều khó khăn, độ dày dchỉ có thể giảm đến một giới hạn nhất định. Chỉ có diện tích bề mặtA là một biến số có nhiều khả năng làm gia tăng. So với tụ điện thông thường, điện dung của siêu tụ điện đã gia tăng nhiều lần, nhưng so với pin có kích cỡ tương đương siêu tụ điện chỉ có thể trữ tối đa 5% tích điện của pin vì điện cực pin có diện tích tàng trữ nhiều lần to hơn. Nếu điện dung của siêu tụ điện được tiếp tục gia tăng, nó có thể dẫn đến một cuộc cách mạng năng lượng trong các ứng dụng của dụng cụ điện tử và công nghiệp ô tô. Ống nano carbon dùng như một vật liệu điện cực để gia
tăng diện tích bề mặt điện cực. Hiện nay, điện cực của siêu tụ điện bán trên thị trường được phủ bởi một lớp carbon xốp hoạt tính có vô số lỗ vi mô tạo một diện tích bề mặt 1.000 – 2.000 m2.g-1. Như vậy lớp carbon xốp sẽ gia tăng diện tích bề mặt từ 10.000 đến 100.000 lần nhiều hơn tụ điện thông thường. Điện dung của điện cực than thường trong khoảng 20 - 50 µF.cm-2. Nếu diện tích bề mặt của carbon xốp là 1.000 m2.g-1 thì điện dung sẽ là 200 - 500 F.g-1 (F.g-1: Faraday cho 1 gram vật liệu). Nhưng trên thực tế siêu tụ điện chỉ cho vài chục F.g-1 hay là 5 - 10% của trị số lý thuyết. Lý do đơn giản là chất điện giải không thấm vào điện cực. Điều này cho thấy dù có diện tích bề mặt rất lớn nhưng không có sự thẩm thấu toàn diện vào điện cực thì điện dung chỉ dừng lại ở con số vài phần trăm của lý thuyết. Vì vậy cần phải gia tăng sự thẩm thấu.
Ống nano carbon có diện tích bề mặt là rất lớn khoảng 1.315 m2.g-1 nên việc gia tăng diện tích bề mặt điện cực bằng cách sử dụng ống nano carbon là có thể. Kết quả nghiên cứu cho thấy điện cực MWCNTs cho điện dung 113 F.g-1 và điện cực SWCNTs là 180 F.g-1 lớn hơn nhiều so với carbon xốp. Tuy nhiên, ống nano carbon dùng cho điện cực là những mạng hỗn tạp. Để gia tăng hiệu năng bề mặt của ống nano carbon thì các ống cần được sắp xếp một cách trật tự. Công trình nghiên cứu học vị tiến sĩ của Riaccardo Signorelli là một ví dụ nổi bật. Tiến sĩ Riccardo Signorelli đã tổng hợp ống nano carbon trên một chất nền Si/SiO2, thạch anh hay thủy tinh theo phương pháp CVD thông dụng. Nhưng chất nền này là vật cách điện. Bằng một phương thức độc đáo Signorelli dùng nhôm, thậm chí nhôm mỏng dùng trong nhà bếp, và phủ chất xúc tác oxide sắt lên chất nền rồi từ đó tổng hợp ống nano carbon. Bằng chân không, Signorelli đã có thể hút chất điện giải xuyên qua khoảng cách giữa các ống nano. Như vậy, điện cực ống nano carbon đã được hoàn thành cho siêu tụ điện.
Hình 20 (a) Siêu tụ điện có điện cực carbon xốp hoạt tính và (b) siêu tụ điện có điện cực ống nano carbon có diện tích bề mặt gia tăng
Năm 2009, Signorelli cho biết mẫu đầu tiên của ông có điện dung 225 F.g-1 và tích điện 7 lần nhiều hơn siêu tụ điện thông thường. Tốt nghiệp tiến sĩ năm 2009, vị tiến sĩ trẻ tuổi này và các cộng sự sau đó thành lập công ty FastCap năm 2011 và sản xuất siêu tụ điện có tích điện 15 lần nhiều hơn siêu tụ điện bán trên thị trường. Siêu tụ điện của FastCap đang làm một cuộc cách mạng năng lượng trong bối cảnh chuyển đổi từ năng lượng xăng dầu sang điện năng cho các phương tiện vận chuyển tương lai.