Tụ điện chủ yếu là thiết bị lưu trữ điện tích, nhưng so với pin, chúng có khả năng lưu trữ điện tích khá ít. Tuy nhiên, tuổi thọ của chúng cao hơn nhiều so với pin, nguyên lý hoạt động cơ bản của tụ điện là như nhau mặc dù chúng được chia thành các loại khác nhau dựa trên cấu trúc bên trong của chúng. Tụ điện graphene là một loại siêu tụ điện có các lớp graphene mang lại sự chuyển động tự do hơn nhiều của các electron và cho phép tản nhiệt một cách hiệu quả.
Đề cương:
- Siêu tụ điện là gì?
- Hoạt động của siêu tụ điện
- Siêu tụ điện graphene
- Điện cực dựa trên graphene trong siêu tụ điện
- Hiệu suất siêu tụ điện dựa trên graphene
- Phần kết luận
Siêu tụ điện là gì?
Để hiểu về tụ điện graphene, cần phải có kiến thức về siêu tụ điện vì tụ điện graphene cũng thuộc loại siêu tụ điện. Không giống như các tụ điện thông thường, tụ điện siêu âm có cấu trúc bên trong khác, điều này cũng ảnh hưởng đến đặc tính của chúng. Siêu tụ điện có các chất điện phân được ngăn cách bằng môi trường cách điện và có các điện cực than hoạt tính tiếp xúc với chất điện phân. Chất điện phân chủ yếu là axit sulfuric hoặc kali oxit, chất phân tách thường là Kapton:
Hoạt động của siêu tụ điện
Khi siêu tụ điện không được kết nối với bất kỳ nguồn điện nào, các điện tích bất kể cực tính của chúng sẽ nằm rải rác trên chất điện phân, khi nguồn điện được kết nối qua nó, dòng điện bắt đầu chạy từ tụ điện và khi cực dương nhận được toàn bộ điện tích dương. các ion âm trong chất điện phân có xu hướng di chuyển về phía điện cực anot. Trong khi đó cực âm được tích điện âm và tất cả các ion dương di chuyển về phía cực âm:
Lực hút giữa điện cực và chất điện phân này là lực tĩnh điện và lực hút của các ion vào các điện cực gây ra sự hình thành lớp điện kép. Lớp này có nhiệm vụ lưu trữ điện tích và do hình thành nên siêu tụ điện của lớp này còn được gọi là tụ điện hai lớp.
Đây là cách siêu tụ điện được tích điện và khi bất kỳ tải nào được kết nối qua các cực của siêu tụ điện, điện tích trên các điện cực bắt đầu chảy từ tải. Bằng cách này, cả hai điện cực bắt đầu mất điện vì chúng không thể hút các điện tích và kết quả là khi tất cả các điện tích rời khỏi điện cực thì tụ điện sẽ phóng điện.
Vì vậy, bây giờ các ion lại nằm rải rác trong các chất điện phân, và đây là cách hoạt động của một siêu tụ điện đơn giản.
Siêu tụ điện graphene
Graphene được làm từ than chì, chất này chủ yếu có bên trong bút chì và là một điện cực bằng cacbon có cùng số nguyên tử nhưng chúng được sắp xếp khác nhau. Không giống như than chì, graphene có lớp nguyên tử đơn hai chiều được sắp xếp theo hình tổ ong lục giác. Cấu trúc này cho phép các nguyên tử tạo ra liên kết cộng hóa trị mạnh giúp nó có độ bền kéo cao hơn và tính linh hoạt cao hơn. Do những đặc tính này, graphene cho phép các electron chuyển động tự do và có độ dẫn điện cao hơn.
Vì các siêu tụ điện có khoảng cách ngắn hơn giữa các bản cho phép chúng lưu trữ nhiều điện tích tĩnh hơn nên graphene có một lớp rất mỏng có kích thước bằng một nguyên tử so với lớp nhôm. Do đó, tụ điện graphene có diện tích bề mặt lớn hơn đáng kể, cho phép nó lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với các siêu tụ điện khác.
Điện cực dựa trên graphene trong siêu tụ điện
Graphene như đã đề cập ở trên cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn giúp nâng cao khả năng lưu trữ điện tích của tụ điện. Nhiều kỹ thuật khác nhau được sử dụng để chế tạo điện cực sử dụng graphene và hai trong số đó là:
Chế tạo bằng xốp Graphene
Điện cực graphene được tạo ra bằng bọt graphene cung cấp các điện cực có độ dẫn điện cao hơn, nhẹ và linh hoạt hơn với diện tích có thể mở rộng lên đến vài cm 2 và chiều cao lên tới vài mm. Bọt graphene được tạo ra bằng kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học bằng cách nuôi nó trên bọt niken hoặc đồng. Khi bọt graphene được tạo ra trên bọt đồng, nó sẽ tạo ra một lớp graphene chất lượng cao, nhưng cấu trúc có thể dễ dàng sụp đổ khi loại bỏ phần đỡ kim loại. Tuy nhiên, thay vào đó, bọt Niken có thể được sử dụng để tạo ra một lớp graphene nhiều lớp có thể được kéo cẩn thận ra khỏi giá đỡ kim loại mà không bị hư hại. Hơn nữa, oxit graphene khử cũng có thể được hình thành thông qua bọt Niken bằng cách sử dụng phương pháp tổng hợp hóa học này. Một số chất phụ gia được sử dụng cùng với graphene giúp đạt được mật độ năng lượng cao và cung cấp đường đi ngắn hơn cho các electron và ion, do đó làm tăng tốc độ tích điện. Những chất phụ gia này có thể là oxit kim loại, polyme dẫn điện và hydroxit kim loại, giúp việc chế tạo điện cực dựa trên graphene ít tốn kém hơn.
Hình ảnh trên minh họa quá trình hình thành lớp graphene bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học.
Chế tạo bằng cách viết bằng tia laze
Phương pháp viết bằng laser tương đối ít tốn kém hơn và tạo ra graphene xốp 3D chỉ trong một bước bằng cách giảm kỹ thuật giảm diện tích lớn. Trong phương pháp này, đầu tiên, một lớp graphene mỏng được lắng lên khuôn, sau đó tia laser thương mại chiếu xạ lớp graphene oxit. Khi ánh sáng laser chiếu tới graphene oxit, nó sẽ tạo ra vật liệu dẫn điện xốp ở vùng tiếp xúc.
Kết quả là diện tích bề mặt của các ion điện phân tăng lên và hàm lượng oxy giảm đáng kể. Như trong phương pháp trước, một số chất phụ gia có thể được sử dụng để viết laser trực tiếp, đó là chất nền có thể là hỗn hợp của graphene oxit và polymer hoặc chất nền cũng có thể chỉ là polymer. Dưới đây là hình ảnh minh họa quá trình viết bằng laser trực tiếp:
Hiệu suất siêu tụ điện dựa trên graphene
Các tụ điện graphene có khả năng truyền electron và ion hiệu quả, mang lại khả năng đo trọng lượng và thể tích cao. Hơn nữa, chúng thể hiện độ ổn định tốc độ chu kỳ cao hơn và khả năng năng lượng cao hơn.
Để nghiên cứu hiệu suất và hoạt động của các thiết bị lưu trữ năng lượng khác nhau, người ta sử dụng biểu đồ Ragone trong đó giá trị của năng lượng cụ thể (Wh/Kg) được vẽ theo công suất cụ thể (W/Kg). Biểu đồ sử dụng thang đo log cho cả hai trục. Trục y đo năng lượng riêng, là lượng năng lượng trên một đơn vị khối lượng. Trục x đo mật độ năng lượng, là tốc độ cung cấp năng lượng trên một đơn vị khối lượng.
Nói cách khác, một điểm trong biểu đồ Ragone cho lượng thời gian mà năng lượng (trên một đơn vị khối lượng) trên trục y có thể được truyền dưới dạng công suất (trên một đơn vị khối lượng) trên trục x và thời gian đó ( trong một giờ) được tính bằng tỷ số giữa mật độ năng lượng và mật độ năng lượng. Sau đó, các đường đẳng lượng (thời gian phân phối không đổi) trong biểu đồ Ragone là các đường thẳng có độ dốc bằng nhau. Biểu đồ Ragone bên dưới hiển thị năng lượng riêng (Wh/Kg) so với công suất riêng (W/Kg) của các thiết bị lưu trữ năng lượng khác nhau:
Phần kết luận
Tụ điện graphene là một loại siêu tụ điện có các điện cực được làm từ graphene làm từ than chì. Graphene cung cấp diện tích bề mặt lớn cho chất điện phân, dẫn đến tăng điện dung và cũng có thời gian sạc nhỏ. Hơn nữa, có nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo ra điện cực graphene, hai trong số đó là: bọt graphene và viết laser trực tiếp.