Chuyên Mục Công Nghệ

Sạc điện cho thiết bị di động bằng siêu tụ điện tí hon — Phần 2/2

By Tạ Minh Chiến / 14/02/2016 / Công nghệ nano / Bình luận về bài viết này

…

Vẫn còn một vấn đề kĩ thuật khác mà chúng tôi cần phải khắc phục: cấu trúc. Các siêu tụ truyền thống bao gồm nhiều cặp bản cực xếp chồng lên nhau giống như các sàn nhà của một toà cao ốc, nhưng hầu hết các vi mạch tích hợp được xây dựng trên mặt phẳng và do đó chỉ tạo được các cấu trúc chỉ có một tầng. Chúng tôi cần một cấu trúc hình học có thể được chế tạo bằng một phương pháp tương thích với phương pháp chế tạo mạch vi điện tử hiện đại.

Dễ chế tạo: Để phủ một đĩa quang bằng ô-xít than chì (graphite oxide) ta chỉ cần một ống hút mà không cần phải dùng đến những chiếc máy phun ion. Hình: Maher El-Kady/UCLA.

Chúng tôi tìm ra giải pháp từ LightScribe, một công nghệ laser rẻ tiền sẵn có mà hàng triệu người đã dùng để khắc các nhãn hay hình lên trên các đĩa compact. Tuy nhiên, thay vì phủ lên đĩa một lớp chất nhuộm có thể thay đổi màu khi tiếp xúc với tia laser, chúng tôi dùng một lớp ô-xit than chì mỏng. Tia laser làm nóng ô-xit và chuyển chúng thành graphene nằm theo những rãnh chính xác cách nhau 1 micro-mét. Đó chính là những bản cực. Ở giữa những bản cực chúng tôi vẫn chừa lại ô-xit than chì chưa xử lý. Do ô-xit than chì dẫn ion nhưng không dẫn electron, nó tạo ra một loại điện môi cực tốt nằm giữa các bản cực âm và dương làm bằng graphene. Để hoàn tất việc chế tạo siêu tụ, chúng tôi phủ lên trên đó một giọt chất điện phân dạng gel để tạo thành một cấu trúc lưu trữ giống như ắc-qui— tương tự như kĩ thuật được dùng trong các siêu tụ truyền thống.

Bằng các sắp xếp xen kẽ các điện cực, chúng tôi làm tăng một cách đáng kể diện tích bề mặt để các điện tích bám vào. Đồng thời, chúng tôi làm giảm quãng đường di chuyển của các ion trong dung dịch điện phân. Điều này là rất quan trọng bởi vì các siêu tụ lưu trữ điện tích bằng cách hấp thụ các ion lên bề mặt của graphene, và do đó tốc độ khuyếch tán của ion giới hạn tốc độ nạp và xả của siêu tụ. Ion khuyếch tán nhanh hơn có nghĩa là khả năng nạp và xả nhanh hơn. Kết quả là loại siêu tụ với cấu trúc sắp xếp xen kẽ có dung lượng lưu trữ điện tích lớn hơn so với loại siêu tụ kiểu xếp chồng lên nhau.

Để chế tạo các siêu tụ cực nhỏ này ta không cần đến các mặt nạ dùng trong kĩ thuật khắc ánh sáng hay các phòng sạch (clean room) mắc tiền. Phương pháp khắc laser một lần này có thể tạo ra các siêu tụ với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với kĩ thuật chế tạo các siêu tụ trước kia. Trong phòng thí nghiệm hiện giờ chúng tôi có thể tạo ra 100 siêu tụ trên một đĩa trong vòng dưới 30 phút và chúng tôi vẫn còn có thể cải thiện tốc độ này nhiều hơn nữa. Tất nhiên, nhà sản xuất có thể tăng tốc bằng cách đơn giản là cho chạy hàng loạt ổ ghi DVD đồng thời. Ta còn có thể tăng tốc bằng cách tối ưu hoá ổ ghi cho việc sản xuất hàng loại bằng cách dùng các máy khắc laser công nghiệp, loại máy đang được sử dụng rộng rãi để đánh dấu theo dõi hàng hoá. Các máy khắc laser có thể được đặt trên các hệ thống băng tải sử dụng các cuộn ô-xit than chì dài.

Vậy là ta đã có một loại pin với cấu trúc hai chiều cực kì gọn gàng có thể tích hợp trực tiếp lên các mạch silicon. Trong khi đó, các bo mạch chủ trong các máy tính ngày nay cần các mối liên kết phức tạp để nối các mạch điện tử đến nguồn điện dự phòng, thường là một viên pin lithium cỡ bằng đồng xu, để giữ cho bộ nhớ hoạt động khi hệ thống bị ngắt nguồn. Và do chúng có thể được tích hợp bên trong con chíp, những siêu tụ tí hon này có thể làm cho việc thu giữ năng lượng từ các nguồn cơ học, nhiệt, hay ánh sáng mặt trời trở nên dễ dàng hơn. Chẳng hạn, chúng có thể được chế tạo trên mặt sau của các tế bào quang điện để lưu trữ điện được sản xuất vào ban ngày và dùng vào ban đêm. Hiện nay thông thường ta dùng pin để thực hiện điều này, nhưng siêu tụ phù hợp hơn vì chúng có thể giải phóng điện tích hiệu quả hơn và tổn thất ít hơn. Hơn nữa, với siêu tụ tích hợp ta có thể đơn giản hoá các dây dẫn dùng trong các hệ thống thu gom và lưu trữ năng lượng thông thường.

Ion di chuyển lên xuống, điện tử di chuyển tới lui: Các điện cực [màu xám] có các lớp graphene với cấu trúc lưới để dẫn điện tử. Các ion dương [màu đỏ] và âm [màu xanh] chạy qua các điện cực để hoàn tất mạch điện trong đó siêu tụ đóng vai trò như một viên pin. Minh hoạ: James Provost.

Thiết kế của chúng tôi cũng tránh được một trong những vấn đề chính trong các nguồn điện: rò rỉ chất điện phân. Cả ắc-qui và các siêu tụ truyền thống đều sử dụng loại chất lỏng có tính ăn mòn cao cho mục đích này. Trong thời gian hoạt động, chất lỏng này đôi khi thoát ra và ăn mòn các mạch điện và các thành phần xung quanh dẫn đến hư hỏng và đôi khi là cháy. Các siêu tụ cực nhỏ của chúng tôi sử dụng loại chất điện phân thể rắn và nó được đưa thẳng vào trong cấu trúc xen kẽ của siêu tụ.

Chúng tôi có rất nhiều lựa chọn cho chất điện phân thể rắn này. Chúng tôi có thể dùng loại chất điện phân polyme dạng gel, được chế tạo bằng cách làm trương một lưới polyme bằng một dung dịch chất điện phân, hay chúng tôi có thể cô đặc dung dịch ion bằng cách thêm polyme hay bột silica nano. Thiết kế không rò rỉ này, cùng với khả năng nạp và xả điện tích vô số lần, làm cho các siêu tụ cực nhỏ của chúng tôi có khả năng tồn tại lâu hơn tất cả các thành phần điện tử khác trên con chíp. Tuổi thọ lâu dài như vậy sẽ đặc biệt hữu ích khi việc thay thế các nguồn điện ẩn chứa nhiều nguy hiểm hay bất tiện, chẳng hạn như trong các máy tạo nhịp tim, máy khử rung tim, và các thiết bị y tế cấy khác.

Với độ phóng đại tăng dần trong các hình từ trên xuống, ta có thể thấy được mạng graphene 3D [thứ hai từ dưới lên] và cuối cùng là các lỗ được kết nối với nhau. Hình từ trên xuống: Maher El-Kady/UCLA (2); Veronica Strong/UCLA (2).

Một đặc tính thú vị khác trong kĩ thuật khắc laser trực tiếp của chúng tôi là khả năng kết nối nhiều siêu tụ cực nhỏ lại với nhau để tạo thành một mô-đun có điện áp cao và dòng điện lớn. Điều này ưu việt hơn hẳn so với việc kẹp nối nhiều thiết bị lại với nhau bằng các dây dẫn cồng kềnh. Quan trọng hơn nữa, chúng tôi có thể ghép nhiều siêu tụ có điện áp cao vào trong một thể tích nhỏ hơn rất nhiều so với khả năng của các công nghệ hiện nay.

Mới đây, nhóm của chúng tôi đã tạo ra một loại thiết bị lai kết hợp các đặc tính ưu việt của tụ điện và pin. Chúng tôi sản xuất thiết bị lai này bằng cách tạo ra măng-gan ô-xit—một loại vật liệu tương tự như pin—bên trong cấu trúc graphene của các siêu tụ. Thiết bị lai này có thể nạp điện trong thời gian tính bằng phút nhưng lại có mật độ năng lượng cao hơn gấp 10 lần so với các loại pin cực nhỏ đang có mặt trên thị trường. Thiết bị lai này chỉ dày bằng 1/5 của một tờ giấy và diện tích từ vài micro-mét vuông đến centimet vuông. Các thiết bị có kích thước cỡ centimet sẽ có điện dung từ 400 đến 1000 mF—hoàn toàn đủ sức để thắp sáng một đèn flash loại LED trong vòng một giờ.

Nhờ khả năng lưu trữ cao và hình dáng nhỏ gọn, các siêu tụ tí hon của chúng tôi sẽ tạo ra những ứng dụng mới. Ta có thể gắn chúng trực tiếp vào lớp vải của một miếng băng dính để cung cấp một dòng điện cực nhỏ nhằm điều khiển việc tiết ra thuốc chậm và đều đặn. Hay ta có thể tích hợp chúng lên các thẻ thông minh để cung cấp một nguồn điện độc lập mà ta có thể dùng để xoá dữ liệu trên thẻ khi phát hiện thẻ bị dùng không hợp lệ.

Các ứng dụng thương mại cho thiết bị của chúng tôi hiện đang được phát triển bởi Nanotech Energy, một công ty khởi nghiệp ở Los Angeles. Khi đi vào sản xuất hàng loạt, giá thành sẽ giảm xuống rất nhiều một khi các siêu tụ cực nhỏ được đưa vào sử dụng trên các điện thoại máy ảnh, thẻ RFID, và pin mặt trời. Và khi Luật Moore được áp dụng triệt để, các siêu tụ sẽ bắt đầu thu nhỏ đến khi mắt thường không còn nhìn thấy nữa. Và như các kĩ sư điện tử đã biết, ta còn có thể thu nhỏ rất nhiều nữa.

Tác giả: Richard B. Kaner là giáo sư hoá học ở Đại học California, Los Angeles. Maher F. El-Kady là sinh viên sau đại học ở đó.

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