Với sự phát triển và mở rộng dân số không ngừng, nhiều quốc gia đã bắt đầu dịch chuyển sang nền kinh tế dựa trên điện năng. Tuy nhiên, việc cung ứng điện trực tiếp không thể đáp ứng được hết nhu cầu khác nhau của con người, do vậy các công nghệ lưu trữ và chuyển đổi năng lượng cũng đang được phát triển mạnh mẽ.
TS Đỗ Hữu Quyết và nguyên mẫu siêu tụ điện sử dụng PANi của SHTP Labs | Ảnh: NVCC
Polyanilin (PANi) là một loại polyme dẫn điện đang đóng vai trò lớn trong các thiết bị lưu trữ và chuyển đổi năng lượng bên cạnh vật liệu cacbon và hợp chất kim loại. Nó gây được nhiều sự chú ý bởi có điện dung riêng cao nhất trong số các polyme dẫn điện, đặc tính điện tử tốt và giá thành rẻ. Bên cạnh đó, PANi lại lại dễ dàng tổng hợp bằng phương pháp hóa học hoặc điện hóa, tạo thành dạng bột hoặc màng mỏng. Do vậy, chất polyme này đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị lưu trữ năng lượng như siêu tụ điện, pin và tế bào nhiên liệu.
Tại phòng thí nghiệm công nghệ nano ở SHTP Labs, TS. Đỗ Hữu Quyết cho biết họ đã dùng vật liệu này để tạo ra các nguyên mẫu siêu tụ điện có kích cỡ chỉ bằng một tấm thẻ: “Chúng tôi sử dụng các sợi nanocarbon để làm giá đỡ và hệ thống dẫn điện, còn PANi làm vật trữ điện, tương tự như một mạng lưới với các điểm nút giao nhau. Về bản chất, siêu tụ điện chứa điện trên bề mặt vật liệu, còn pin chứa điện chủ yếu trong lòng vật liệu. Do vậy, siêu tụ điện có khả năng phóng xả điện nhanh hơn pin hàng trăm lần vì điện tích chỉ cần dịch chuyển trên bề mặt, nhưng lại trữ được điện năng ít hơn pin.”
Các nhà nghiên cứu tuyên bố rằng siêu tụ điện PANi của họ có điện dung 6.5 F trên mỗi cm vuông và mật độ năng lượng 1.35 Wh/kg và có thể nghiên cứu tối ưu tăng lên đến 25 Wh/kg - tương đương 25% so với pin màng mỏng lithium thương mại nhưng công suất cực đại có thể cao hơn 27 lần. Các mẫu siêu tụ chế tạo được cho thấy tuổi thọ ít nhất 15.000 lần phóng sạc và có thể uốn cong. Những kết quả nghiên cứu này đã được xuất bản trên tạp chí ISI, bao gồm Journal of Electronic Materials (2017) và Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology (2019).
Mặc dù đây không phải là lần đầu tiên PANi được sử dụng để chế tạo siêu tụ điện, ý tưởng này vẫn còn khá mới và chưa được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, cách tổng hợp vật liệu PANi bằng phương pháp điện hóa quyét vòng đổi chiều thường dùng khiến PANi tạo ra ở cực dương sẽ bị mất đi một phần nhỏ khi dòng điện đổi chiều. Do vậy, quy trình này phải mất 30 phút đến vài giờ mới tạo đủ một mẫu polyme mỏng để chế tạo siêu tụ điện.
Từ cách suy luận logic lật lại vấn đề - rằng ‘nếu sử dụng dòng điện một chiều thì polyme sẽ chỉ tổng hợp thêm chứ không mất đi’, nhóm nghiên cứu của SHTP Labs đã thử tìm hướng tổng hợp polyme mới. Tuy nhiên, sử dụng dòng điện một chiều lại rất dễ tạo ra PANi loại P không dẫn điện, ngược lại với mong muốn của vật liệu làm siêu tụ điện.
Nguyên mẫu siêu tụ điện sử dụng PANi của SHTP Labs | Ảnh: NVCC
Lớp phủ PANi trên giấy Bucky | Ảnh: NVCC
Qua vô số lần tính toán và thử sai, TS. Đỗ Hữu Quyết và các đồng nghiệp đã tình cờ dựng được một thí nghiệm cho ‘kết quả khả thi’, từ đó dẫn dến thành công trong việc thiết lập quy trình tổng hợp PANi mới. Bằng cách đưa điện áp từ 1,3 – 1,5V với cường độ 50mA chạy qua dung dịch monome anilin và HCl, họ đã thu được polyme PANi màu xanh lá cây đậm trên nền giấy Bucky chỉ trong vòng 2-5 phút.
Để khắc phục nhược điểm bột tạo ra ít đồng đều hơn so với phương pháp dùng điện xoay chiều, các nhà nghiên cứu phải làm thêm các bước tiền và hậu xử lý nhằm có kết quả tương đương, tuy nhiên đại diện nhóm cho biết “tổng thời gian thực hiện vẫn rất khả dĩ so với phương pháp chế tạo đã có”. Quy trình tổng hợp Polyanilin bằng thiết bị tạo dòng điện một chiều này đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp Bằng độc quyền Giải pháp hữu ích số 2545 được công bố vào ngày 25/01/2021.
Sản xuất dễ dàng và rẻ tiền sẽ tạo điều kiện thúc đẩy việc phát triển các ứng dụng mới của PANi. Hiện nay, SHTP Labs mới hướng tới việc ứng dụng chúng trong siêu tụ điện nhưng họ cũng đã nhận được sự quan tâm tích cực từ cả phía đơn vị của nhà nước và tư nhân. Tuy vậy, TS. Đỗ Hữu Quyết cho biết để cạnh tranh với vật liệu carbon làm siêu tụ điện đang được thương mại hóa thì phải nâng tuổi thọ sạc của các siêu tụ điện PANi lên 100.000 lần.
Công việc R&D này đang tạm gác lại bởi các ưu tiên nghiên cứu khác về xử lý nước nhiễm mặn cho khu vực miền Tây và khoảng chờ ‘thai nghén’ của thị trường Việt Nam. “Chúng tôi đang đợi các công ty xe điện nội địa làm tốt sản phẩm xe của mình, sau đó sẽ giới thiệu và hợp tác với họ để phát triển các ứng dụng siêu tụ điện”, TS. Đỗ Hữu Quyết nói.
Các nhà phân tích trên thế giới đánh giá trong tương lai siêu tụ điện có thể bổ trợ, thậm chí đôi khi cạnh tranh thay thế, với các sản phẩm pin chì và pin lithium. Hiện siêu tụ điện đã được một số nước sử dụng trong việc ổn định mạng lưới điện - nhất là các lưới điện thông minh có tích hợp năng lượng tái tạo, chế tạo máy khử rung tim trong y tế, tích hợp trong các thiết bị điện-điện tử di động thế hệ mới hoặc dùng cho các hệ thống xe hơi, xe bus điện nội đô cần xạc nhanh tại mỗi điểm dừng. Theo báo cáo mới nhất của Reportlinker vào tháng 7 năm ngoái, thị trường siêu tụ điện toàn cầu được định giá gần 3,5 tỷ USD vào năm 2025 với tốc độ tăng trưởng CAGR trong giai đoạn 2020-2025 từ 19% đến 21%/năm.