Nhờ kĩ thuật khắc laser lên graphene, định luật Moore đã đi vào ứng dụng trong thiết bị lưu trữ năng lượng.
Cấu trúc dẻo: Những siêu tụ điện dạng phẳng này có thể nằm gọn trong các mạch vi điện tử và nếu cần thiết thì chúng thậm chí còn có thể uốn cong được. (Hình: Maher El-Kady/UCLA)
Tụ điện. Mở máy tính của bạn ra và bạn sẽ thấy chúng nổi lên như đá trên một bãi cát. Chúng là một loại linh kiện điện tử chưa bao giờ được làm nhỏ lại. Nếu một ngày nào đó chúng tuân thủ Định luật Moore mà tự thu gọn mình lại đến mức cỡ micro-mét thì cuộc sống của các kỹ sư điện tử sẽ dễ thở hơn nhiều.
Trước tiên các tác giả dán một lớp nền bằng nhựa lên trên một chiếc đĩa DVD thông thường.
Kế tiếp họ phủ lên trên lớp nhựa một lớp graphite oxide có khả năng dẫn ion nhưng lại không dẫn electron. Lớp này trở thành lớp điện môi cực tốt ngăn cách các điện cực của tụ điện.
Sau đó họ đưa đĩa vào ổ LightScribe, là ổ đĩa laser dùng để khắc chữ lên trên DVD. Tia laser chuyển một phần graphite oxide thành các điện cực graphene.
Với các tụ điện tí hon nhưng có điện dung lớn ta có thể tạo ra các máy tính và các máy tạo nhịp tim nhỏ hơn và rẻ hơn. Chúng cũng cực kỳ phù hợp cho bộ nhớ không bay hơi, bộ vi cảm biến, actuator, thẻ RFID, các hệ thống vi cơ điện tử, là những ứng dụng mà bộ phận cung cấp năng lượng nặng đến gấp 10 lần so với toàn bộ các thành phần còn lại. Và do, cũng như các tụ điện, những siêu tụ như vậy có thể giải phóng năng lượng của mình rất nhanh, chúng có thể được dùng kèm với các bộ pin năng lượng cao để tạo ra các xung tuần hoàn, tương tự như các tụ điện thông thường cung cấp năng lượng cho máy ảnh trong các điện thoại thông minh. (Các siêu tụ tí hon có thể làm cho các điện thoại thông minh trở nên mỏng hơn.)
Nhóm của chúng tôi tại University of California, Los Angeles, đã tạo ra các siêu tụ tí hon hơn vậy bằng cách sử dụng một đầu ghi DVD đơn giản để tạo ra các mảng siêu tụ trên các lớp graphene mỏng cỡ một phân tử. Khi được dùng kết hợp với pin, những siêu tụ này có thể cấp năng lượng cho điện thoại trong nhiều ngày. Và do một mảng có độ dày dưới 10 micro-mét—nhỏ hơn nhiều so với một sợi tóc người—nó rất linh hoạt. Nếu ta tạo ra các mảng này trên một lớp nền mềm dẻo thì chúng có thể cấp năng lượng cho một màn hình dẻo.
Tất cả những điều này có thể được thực hiện với chi phí thấp. Phương pháp chế tạo của chúng tôi có thể được chuyển sang sản xuất với số lượng lớn một cách dễ dàng, và các siêu tụ tí hon có thể tích hợp được vào bên trong các con chíp silicon. Trong nhiều trường hợp chúng có thể khắc phục các điểm yếu cố hữu của pin như tốc độ giải phóng năng lượng chậm và thời gian sạc dài. Do đó, thậm chí trong những ứng dụng mà chúng không thể hoàn toàn thay thế pin, chúng cũng bổ trợ cho pin một cách đáng kể.
Nếu ta có thể áp dụng Định luật Moore cho nó giống như áp dụng cho công nghệ bán dẫn thì một bộ ắc-qui hoàn chỉnh bây giờ sẽ nhỏ như một tế bào hồng cầu. Nhưng công nghệ được phát minh vào năm 1859 này đã hết khả năng phát triển thêm từ lâu rồi. Công nghệ pin nickel-cadmium và nickel-metal-hydride mới được hoàn thiện gần đây nhưng chúng cũng gần như chạm tới ngưỡng mật độ năng lượng và công suất theo lý thuyết. Thậm chí pin lithium-ion—có mật độ năng lượng tăng gấp 3 lần kể từ đầu những năm 1990—cũng đang ở gần đỉnh điểm của nó.
Các viên pin không thể theo kịp Định luật Moore bởi vì chưa có vật liệu nào có thể lưu trữ một lượng điện tích lớn trong một thể tích nhỏ. Các viên pin tí hon mà chúng ta có lại đắt tiền vì chúng được chế tạo thông qua những quy trình phức tạp và mất thời gian. Chẳng biết chúng ta có tìm được biện pháp khả dĩ nào trong số nhiều kiểu thu gom năng lượng đã được đề xuất hay không nhưng chúng cũng không đem lại cho những người thiết kế sản phẩm độ tin cậy và khả năng hoạt động cần thiết. Nhưng các tụ điện đã cho chúng ta một cách khác để lưu trữ năng lượng. Và chúng tôi đã tìm được cách để đưa chúng đi theo quỹ đạo của Định luật Moore.
Một tụ điện bình thường có hai bản tụ được ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng. Tụ điện lưu trữ điện tích bằng tĩnh điện trong một trường điện được tạo ra bởi hai bản tụ được tích điện trái dấu. Lượng điện tích được lưu trữ tuỳ thuộc vào điện dung của tụ điện. Điện dung lại phụ thuộc vào diện tích của một trong các bản tụ—thường nhỏ hơn 1 mét vuông—và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản tụ, thường vào khoảng 1 micro-mét hay nhỏ hơn. Do đó, để tăng lượng điện tích ta phải tăng diện tích và giảm khoảng cách.
Khoảng cách bên trong các siêu tụ được giảm xuống bằng cách vay mượn một ý tưởng từ công nghệ ắc-qui, đó là dùng chất điện phân. Siêu tụ là một tụ điện có hai lớp. Hai cực của nó được làm ướt bởi chất điện phân dạng lỏng và được ngăn cách nhau bởi một lớp vật liệu để hai bản cực không bị ngắn mạch. Nhưng lớp này cho phép ion thẩm thấu qua. Khi có điện áp, các ion từ chất điện phân di chuyển lên bề mặt của điện cực có điện áp trái dấu. Các điện tích tích tụ ở bề mặt tiếp xúc giữa các bản cực và chất điện phân, tạo thành hai lớp tích điện cách nhau chỉ khoảng 1 nanomet.
Kiểu tụ điện của chúng tôi còn làm tăng diện tích, là yếu tố thứ hai để làm tăng điện dung. Tấm graphene với độ dày cỡ phân tử là loại vật liệu có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn nhất mà ta có thể chế tạo được. Một gam của nó có thể trải rộng 2,630 mét vuông—gần hai phần ba của một mẫu Anh. Kết hợp với khoảng cách khoảng 1 nanomet giữa các điện tích, tụ điện này có điện dung lớn gấp 1 triệu lần so với tụ ceramic thường gặp và khoảng 10,000 lần so với tụ điện thông thường dùng dung môi là chất điện phân.
Chúng tôi bắt đầu quan tâm đến công nghệ lưu trữ năng lượng từ đầu những năm 1980 khi một trong số chúng tôi (Kaner) làm nghiên cứu sau tiến sĩ về các dạng graphite mới ở phòng thí nghiệm của Neil Bartlett thuộc Đại học California, Berkeley. Loại carbon này được dùng nhiều trong pin lithium-ion ngày nay do nó rẻ, dẫn điện tốt, và có thể lưu trữ các ion lithium một cách hiệu quả. Tuy nhiên, tỷ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng của nó lại thấp nên khả năng lưu trữ điện tích bị giới hạn. Nhưng nó đem đến cho Bartlett một ý tưởng: chế tạo một loại graphite “thủng lỗ” với diện tích bề mặt đủ lớn để lưu trữ thật nhiều điện tích. Tuy nhiên, nhóm của ông ở Berkeley lúc đó không thể thực hiện được ý tưởng khoan các lỗ có kích cỡ phân tử.
Minh hoạ: Greg Mably
Nhưng cuối cùng, sau 30 năm, chúng tôi cũng đã giải quyết được vấn đề này tại phòng thí nghiệm ở UCLA bằng một phương pháp khác. Chúng tôi bắt đầu từ các tấm graphite oxide—một loại vật liệu đã ra đời 150 năm về trước và có thể thấm nước nên có thể xử lý dễ dàng trong nước để tạo thành các tấm phim hay phủ lên gần như tất cả các loại tấm nền. Cách đây vài năm, chúng tôi phát hiện ra rằng bằng cách chiếu tia laser cường độ cao lên graphite oxide chúng tôi có thể làm bay hơi ôxy dưới dạng CO2, và tạo nên một cấu trúc 3 chiều của graphene—còn gọi là holey graphite. Về cơ bản, chúng tôi sắp xếp các tấm graphene 2D thành một cấu trúc mạng 3D giống như miếng bìa các-tông bị nhăn.
Loại carbon này có những tính chất phi thường. Chúng tôi nhận thấy electron di chuyển trong cấu trúc graphene 3D này nhanh hơn 100 lần so với trong loại than chì dùng trong ắc-qui và nhanh hơn 10 lần so với trong các ống carbon nanotube. Với tốc độ đó nó có thể được dùng để tạo ra những siêu tụ có khả năng hoạt động tuyệt vời.
…
(Xem tiếp: Phần 2)
- Nguyên bản tiếng Anh: “How a Microscopic Supercapacitor Will Supercharge Mobile Electronics,” Maher F. El-Kady & Richard B. Kaner, IEEE Spectrum, 28 Sep 2015.
- Người dịch: Tạ Minh Chiến
Tạ Minh Chiến
Phạm Duy Đông
Huỳnh Lê Vũ Dương
Hồ Quang Tây
mikekan15
Nguyễn Công Thành
Hoa-Phuong Nguyen
Huỳnh Trọng Anh
Đinh Thành Việt
Chuyên Mục Công Nghệ 
Pingback: Sạc điện cho thiết bị di động bằng siêu tụ điện tí hon — Phần 2/2 | Chuyên Mục Công Nghệ