Sinh viên chế tạo vật liệu làm siêu tụ điện

Nhóm sinh viên sáng tạo vật liệu làm siêu tụ điện tích trữ năng lượng.

Lưu trữ năng lượng hiệu quả cao

“Vật liệu tổng hợp FeS/C làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện” là nghiên cứu của 3 chàng trai Khoa Vật lý kỹ thuật: Nguyễn Văn Quân, Trương Văn Quyền, Đào Thanh Quang, Đại học Bách khoa Hà Nội.

Tụ điện (Capacitor) là một thiết bị lưu trữ điện tích được tạo thành từ hai tấm kim loại (điện cực) và ngăn cách bởi một chất cách điện (điện môi). Siêu tụ điện (Supercapacitor) là thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa, có công suất với giá trị điện dung cao hơn nhiều so với tụ điện, nhưng có điện thế thấp hơn.

Siêu tụ điện có đặc điểm lưu trữ năng lượng trên một đơn vị khối lượng (hoặc thể tích) nhiều hơn 10 - 100 lần so với tụ điện truyền thống và có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn (-40°C - 70°C).

Nhóm sinh viên nhận thấy, trong cuộc sống hàng ngày, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, sau khi tạo ra năng lượng thì cần đòi hỏi các hệ/ linh kiện lưu trữ năng lượng đó, các chàng trai Vật lý đặt mục tiêu nghiên cứu về các vật liệu và thiết bị lưu trữ năng lượng có hiệu quả cao (tuổi thọ dài, chịu được ứng suất nhiệt, năng lượng riêng cao, nguyên liệu tiết kiệm), đồng thời chúng cũng phải thân thiện với môi trường, không phát thải khí độc hại, các bộ phận có thể tái chế.

Trưởng nhóm Nguyễn Văn Quân chia sẻ, nhóm chọn đề tài này nghiên cứu vì khả năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu năng lượng xanh, kết quả cuối cùng là chế tạo Vật liệu tổ hợp FeS/C nhằm ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện.

Siêu tụ điện đang là một giải pháp hấp dẫn cho các thiết bị lưu trữ năng lượng vì những đặc tính nổi trội như mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài và chi phí sản xuất tương đối thấp. Chúng có thể ứng dụng làm nguồn điện để khởi động trong ô tô điện, loại phương tiện góp phần bảo vệ môi trường đang được quan tâm phát triển trong thời gian gần đây.

Từ năm 2022, nhóm sinh viên bắt đầu tham gia nghiên cứu trong lab dưới sự hướng dẫn của các thầy, cô giáo Đại học Bách khoa Hà Nội. Nhóm tập trung nghiên cứu nhiều vật liệu ứng dụng cho tích trữ năng lượng nói chung như oxit sắt (Fe2O3, Fe3O4), FeS, FeS2, Fe3S4, MoS2, MnS, MnS2, SiO2…

Sinh viên Trương Văn Quyền nhớ lại không ít lần làm thí nghiệm chế tạo vật liệu bị lỗi, ngồi ở phòng thí nghiệm từ sáng đến tối mịt, rồi lại cùng nhau online thảo luận tới khuya.

Từ tháng 3/2023, nhóm sinh viên tập trung nghiên cứu về vật liệu FeS và FeS/C ứng dụng cho siêu tụ điện. Nhóm đã đạt được một số kết quả nhất định về ứng dụng vật liệu này cho cả pin sạc lại hiệu suất cao và siêu tụ điện.

Nỗ lực để ứng dụng trong thực tế

PGS.TS Bùi Thị Hằng là giảng viên hướng dẫn nhóm. Đây là nghiên cứu đầy tiềm năng ứng dụng bởi dư địa còn rất rộng. Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, siêu tụ điện được sử dụng thay thế hoặc kết hợp cùng với pin trong các hệ thống lưu trữ điện năng từ năng lượng mặt trời và năng lượng gió.

Trong lĩnh vực giao thông, cùng với việc ứng dụng siêu tụ điện trong xe điện, các nhà khoa học còn tìm cách tăng cường khả năng kiểm soát hệ thống lưu trữ năng lượng của siêu tụ điện nhằm đạt được sự cân bằng giữa hiệu quả và tuổi thọ. Chẳng hạn như nghiên cứu biến đổi và tái tạo lại năng lượng khi phanh của xe điện hay các hệ thống quản lý năng lượng kết hợp việc sử dụng pin nhiên liệu với siêu tụ điện nhằm bổ trợ cho nhau.

Siêu tụ điện còn được dùng để lưu trữ năng lượng trong robot thông minh nhằm xử lý khối công việc đa dạng một cách hiệu quả và tin cậy, trong thời gian dài. Ngoài ra, sự xuất hiện của các thiết bị đeo trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe cũng đã thu hút các ứng dụng siêu tụ điện trong hệ thống điều khiển như: Hệ thống cảm biến năng lượng thấp theo dõi thông số sinh lý (nhịp tim, độ bão hòa oxy); quần áo thông minh trang bị tính năng theo dõi nhiệt độ cơ thể…

Trong thời gian tới, 3 sinh viên Nguyễn Văn Quân, Trương Văn Quyền, Đào Thanh Quang sẽ khảo sát thêm các tính chất khác của vật liệu, cải thiện những nhược điểm để ứng dụng cho pin sạc lại và siêu tụ điện. Nhóm cố gắng tìm ra các giải pháp và phương pháp để ứng dụng được trong thực tế. Hiện, đề tài nghiên cứu của nhóm đã được gửi đơn xin cấp bằng sáng chế.

Nhật Phong