Siêu tụ điện có khả năng thu và lưu trữ năng lượng tuyệt vời. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các vật liệu và phương pháp chế tạo khác nhau để làm cho chúng linh hoạt, mỏng và thích hợp để sử dụng trong các thiết bị điện tử có thể đeo hoặc cấy ghép, như đồng hồ thông minh hoặc máy điều hòa nhịp tim, nhưng những phương pháp đó có xu hướng phức tạp và tốn kém. Tuy nhiên, giờ đây, một nhóm từ Đại học Cát Lâm ở Trung Quốc đã phát triển một loại điện cực kết dính tất cả trong một nhằm giải quyết một trong những vấn đề chính mà các siêu tụ điện 2D linh hoạt đang phải đối mặt—làm cho các bộ phận hoạt động phối hợp với nhau.
Những công bố này đã được đăng lên tạp chí Polyoxometalates vào 29 tháng ba, năm 2024.
Giáo sư Wen Li tại đại học Jilin, Trung Quốc cho rằng “Các siêu tụ điện 2D linh hoạt thường có quy trình chế tạo phức tạp, tốn thời gian và độ bền cơ học kém,”. “Trong trường hợp này, chúng tôi đã tạo ra một loại điện cực kết dính mới có tất cả những tính năng của loại trước đó, không chỉ đơn giản hóa quy trình chế tạo mà còn khắc phục được sự dịch chuyển bề mặt của các siêu tụ điện thông thường.”
Các loại siêu tụ điện linh hoạt thường có cấu trúc xếp chồng lên nhau hoặc cấu trúc phẳng 2D. Dưới sự biến dạng cơ học lặp đi lặp lại, bề mặt tiếp xúc giữa các điện cực và chất điện phân có thể bị dịch chuyển, khiến cho sự tiếp xúc giữa các bề mặt trở nên kém hiệu quả hơn.
Li cho biết “Tuy nhiên, sự biến dạng khối không khớp giữa các điện cực và các lớp điện phân thường gây ra sự dịch chuyển và phân tách về mặt không thể tránh khỏi trong quá trình biến dạng cơ học lặp đi lặp lại, điều này làm tăng đáng kể điện trở tiếp xúc bề mặt giữa các điện cực và các lớp điện phân”.
“Kết quả thu được là, tốc độ sạc/xả bị giảm nghiêm trọng và hiệu suất lưu trữ của pin cũng như độ ổn định bị giảm đi đáng kể. Điều đáng lo ngại hơn, các thiết bị siêu tụ điện linh hoạt tích hợp nối tiếp cho đầu ra điện áp cao vẫn phụ thuộc vào rất nhiều dây kim loại dẫn điện, điều này hạn chế phần lớn tính linh hoạt, khả năng chịu biến dạng và khả năng thu nhỏ của chúng đối với các ứng dụng thực tế”
Để giải quyết các vấn đề về bề mặt và loại bỏ dây dẫn, các nhà nghiên cứu đã kết hợp HPA cùng với các amino acids và các vật liệu carbon để tạo ra một loại chất kết dính có đầy đủ tất cả các tính chất đồng thời có khả năng dẫn điện tử, đặc tính oxy hóa khử, biến dạng cơ học và độ bám dính. Axit dị hợp (HPA), đóng vai trò là một nhóm các cụm vô cơ có kích thước nano với hoạt tính oxy hóa khử nhanh và đồng thời có thể đảo ngược cho phép siêu tụ điện sạc và xả năng lượng một cách nhanh chóng.
Các axit amin giúp HPAs trở nên linh hoạt hơn, trong khi đó các vật liệu cacbon có vai trò là yếu tố dẫn điện. Họ tạo ra chất kết dính ướt theo phương pháp song song để tạo thành các điện cực một cách linh hoạt. Sau khi thu hẹp khoảng cách giữa các điện cực song song bằng việc bơm chất điện phân dạng gel, họ có thể tạo ra một siêu tụ điện 2D.
Li cho rằng “Chúng tôi nhận thấy các thành phần cacbon đã được cải thiện khả năng dẫn điện tử; tính chất hóa học của các axit amin có tác dụng tăng khả năng bám dính giữa các bề mặt; và các cụm HPA ngăn cản sự hình thành các cấu trúc lớn hơn đồng thời cung cấp cho điện cực khả năng truyền và lưu trữ điện tử,”.
“The resultant adhesives are adaptive and deformable materials that facilitate the development of flexible 2D supercapacitors for high voltage output with metal-free interconnects.”
“Chất kết dính thu được là vật liệu có khả năng thích ứng và có khả năng biến dạng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển siêu tụ điện 2D cho đầu ra điện áp cao với các kết nối và không chứa kim loại.”
Các nhà nghiên cứu cho rằng họ đang cố tạo ra các siêu tụ điện 2D thu nhỏ và độc lập cùng với chất nền cho việc phát triển các thiết bị điện có khả năng cấy ghép.
Chuanling Mu và Zhanglei Du; hai sinh viên cùng đóng góp trong bài nghiên cứu của Li tại đại học Jilin University.
