Đồ án siêu tụ điện công nghệ nano thân thiện môi trường và xu hướng ứng dụng trong tiết kiệm năng lượng và ổn định nguồn điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.15 MB, 31 trang )
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TP.HCM
TRUNG TÂM THÔNG TIN VÀ THỐNG KÊ KH & CN
BÁO CÁO PHÂN TÍCH XU HƯỚNG CÔNG NGHỆ
Chuyên đề:
SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO
THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ XU HƯỚNG ỨNG DỤNG
TRONG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
VÀ ỔN ĐỊNH NGUỒN ĐIỆN
Biên soạn: Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ
Với sự cộng tác của:
TS. Đỗ Hữu Quyết, CN. Trần Phước Toan
– Trung tâm Nghiên cứu Triển khai – Ban Quản lý Khu CNC TP. HCM
TP.Hồ Chí Minh, 05/2017
-1-
MỤC LỤC
I. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN
THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM …………………………………………………………………………. 3
1. Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện nói chung trên thế giới ……………………………. 3
2. Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện ở Việt Nam và trung tâm nghiên cứu triển
khai, khu CNC – TPHCM ………………………………………………………………………………. 4
3. Đặc điểm và một số ứng dụng của siêu tụ điện …………………………………………… 5
II. PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ
SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾ ………………………………………………………………… 9
1. Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện theo thời gian. 9
2. Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện ở các quốc gia
10
3. Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về siêu tụ điện theo các hướng nghiên cứu
………………… …………………………………………………………………………………… 12
4. Giới thiệu một số sáng chế:…………………………………………………………………….. 14
III. GIỚI THIỆU SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO MỚI PHÁT TRIỂN
TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI – BAN QUẢN LÝ KHU
CÔNG NGHỆ CAO TP.HCM …………………………………………………………………… 17
1. Giới thiệu siêu tụ điện dẻo công nghệ Nano ……………………………………………… 17
2. Kết quả kiểm tra sản phẩm siêu tụ điện công nghệ nano so với các sản phẩm
thương mại trên thị trường hiện nay ………………………………………………………………. 18
2.1 Hình ảnh siêu tụ điện…………………………………………………………………………… 18
2.2 Kiểm tra điện dung và điện áp ……………………………………………………………… 18
2.3 Kiểm tra tuổi thọ nạp xả ………………………………………………………………………. 19
2.4 Kiểm tra lưu giữ điện áp trong 1 ngày …………………………………………………… 20
2.5 Kiểm tra nhiệt độ làm việc …………………………………………………………………… 21
2.6 Nội trở và mạch điện tương đương ……………………………………………………….. 21
2.7 So sánh các thông số Stack bipolar 3 tụ …………………………………………………. 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………………………………. 27
-2-
SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG
VÀ XU HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
VÀ ỔN ĐỊNH NGUỒN ĐIỆN
***********************
I. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SIÊU TỤ ĐIỆN
TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1. Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện nói chung trên thế giới
Siêu tụ điện (tiếng Anh là supercapacitor, electrochemical capacitor hay
ultracapacitor) có thể được coi là một mơ hình lưu trữ điện trung gian giữa pin
(công suất thấp/năng lượng cao) và tụ điện (công suất cao/năng lượng thấp)
Nhằm tăng khả năng thâm nhập thị trường, đáp ứng nhu cầu đa dạng cho
nhiều ứng dụng cơng nghệ khác nhau (máy tính, thiết bị công cụ cầm tay, thiết bị
lưu trữ điện gia dụng và công nghiệp, hệ thống lưu trữ điện trong các phương tiện
giao thông vận tải…) cũng như tiếp tục cải thiện các thông số vận hành, nhiều
nghiên cứu về siêu tụ đang thu hút sự đầu tư mạnh mẽ của các cơng ty, tập đồn lớn
trên thế giới cũng như các trung tâm nghiên cứu, trường đại học ở nhiều nước. Hiện
nay, siêu tụ điện nhóm hybrid capacitor (siêu tụ thế hệ mới nhất) đang thu hút sự
quan tâm đặc biệt do có thể kết hợp được nhiều ưu điểm của các dạng siêu tụ thế hệ
trước cùng với các tính năng nổi bật đặc thù của tụ điện truyền thống và pin/ắc quy,
cũng như có thể cung cấp những tính năng vận hành đặc biệt cho các yêu cầu
chuyên dụng. Nhóm siêu tụ này có thể được chia ra thành 3 phân nhóm nhỏ dựa
trên đặc tính của electrode (điện cực) bao gồm composite, asymmetric và batterytype.
Asymmetric electrode: với dạng siêu tụ này, 2 điện cực dương và âm được
chế tạo từ những vật liệu khác nhau. Thông thường, polymer dẫn điện được chọn
làm điện cực dương trong khi carbon hoạt tính làm điện cực âm [1]. Sự kết hợp này
dẫn đến dạng siêu tụ này có chỉ số mật độ công suất và năng lượng cao hơn siêu tụ
dạng double – layer và có tuổi thọ sử dụng cao hơn siêu tụ dạng pseudo [9-11].
Battery – type electrode: siêu tụ ở dạng này có cấu trúc tương tự với
asymmetric electrode. Điểm khác biệt duy nhất là 1 điện cực hoạt động theo cơ chế
siêu tụ (vật liệu thường sử dụng carbon hoạt tính) và 1 còn lại hoạt động theo cơ
chế của battery (vật liệu thường dùng là nickel hydroxide, chì dioxide, hoặc LTO
(Li4Ti5O12)). Cấu trúc siêu tụ dạng này được cho là có thể kết hợp được ưu điểm
nổi bật của battery (khả năng tích trữ năng lượng cao) với các đặc điểm nổi bật của
siêu tụ (mật độ công suất lớn, tuổi thọ dài, thời gian nạp nhanh) [12-14].
Composite electrode: Hai nhóm trên tối ưu hóa các đặc tính của tụ điện dựa
trên thiết kế hai bản cực tụ sử dụng các loại điện cực khác nhau. Vì thế điều quan
trọng vẫn là phải tìm ra được vật liệu tốt để làm điện cực. Loại vật liệu đang được
-3-
chú trọng phát triển trên thế giới cho linh kiện dự trữ năng lượng nói chung và siêu
tụ điện nói riêng là vật liệu composite của những dạng vật liệu carbon (đặc biệt là
CNTs [18]) và polymer dẫn điện hoặc oxide kim loại hay một số các vật liệu ở
dạng nano. Đặc điểm nổi bật của loại điện cực dạng này là kết hợp được cả 2
nguyên lý tạo ra điện dung (tĩnh điện và điện hóa). Vật liệu carbon tạo ra điện dung
qua cơ chế double – layer, đồng thời cũng đóng vai trị là hệ khung có diện tích bề
mặt riêng lớn để các vật liệu khác bám dính lên, qua đó tạo ra điện dung cho siêu tụ
qua cơ chế giả điện dung. Trong đó, hệ điện cực composite được nghiên cứu khá kỹ
và cho những kết quả tốt là hệ CNT – polypyrrole, graphene/polyaniline nanofiber
hay graphene/MnO2 với những tính năng vượt trội khi so sánh với điện cực chế tạo
đơn thuần từ CNT hay polypyrrole đơn lẻ [4-6]. Một số cơng trình được cơng bố
gần đây cũng cho những kết quả tương đối khả quan cho hệ composite CNT –
polyaniline [7] hoặc nano Si – polyaniline (PANI) [8].
Ngồi điện cực đóng vai trị rất quan trọng trong việc quyết định độ lớn của
điện dung và nguyên lý hoạt động của siêu tụ, 2 thành phần cơ bản khác trong cấu
trúc siêu tụ cũng có những ảnh hưởng quan trọng tới hiệu quả hoạt động của toàn
bộ linh kiện, đó là chất điện giải và màng ngăn cách. Chất điện giải sử dụng trong
siêu tụ thông thường ở dạng lỏng, có thể là dung mơi hữu cơ hoặc ở dạng dung dich
nước. Tuy nhiên, điều này tạo ra nhiều hạn chế trong quá trình sử dụng và bảo quản
nên gần đây, các chất điện giải dẻo đã và đang được nghiên cứu, sử dụng để thay
thế cho các chất điện giải lỏng truyền thống. Chất điện giải dẻo cùng với điện cực,
điện cực dẫn dẻo sẽ tạo ra siêu tụ dẻo, một sản phẩm đang thu hút sự quan tâm rất
lớn các nghiên cứu hiện nay bởi các ứng dụng tiềm năng của nó trong linh kiện
điện tử, xe điện, năng lượng tái tạo …
2. Tình hình nghiên cứu siêu tụ điện ở Việt Nam và trung tâm nghiên cứu
triển khai, khu CNC – TPHCM
Do sự hấp dẫn của thị trường siêu tụ, nghiên cứu về vật liệu cho loại linh kiện
này cũng đã được chú ý ở Việt Nam. Đã có một số cơng bố nghiên cứu về chế tạo
vật liệu MnO2 làm điện cực theo cơ chế giả điện dung, trong đó đáng chú ý là cơng
bố kết quả điện dung 199 F/g của nhóm nghiên cứu ở Đại Học Khoa Học Tự
Nhiên, thuộc Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh [36]. Ngồi ra, cũng đã
có nghiên cứu về vật liệu cho điện cực lớp kép, sử dụng cấu trúc thớ nano
(nanofibrillar) [37]. Nhìn chung, nghiên cứu về tụ điện ở Việt Nam mới dừng lại ở
chế tạo và khảo sát một số vật liệu khá phổ biến để làm điện cực. Cho nên, để phát
triển công nghệ siêu tụ điện ở nước ta, sẽ rất cần những nghiên cứu sâu hơn về vật
liệu mới cũng như nghiên cứu chế tạo linh kiện hoàn chỉnh.
Trên tinh thần này, trung tâm nghiên cứu triển khai thuộc khu CNC – TPHCM
đã có những nghiên cứu quan trọng ban đầu về vật liệu cũng như linh kiện siêu tụ
điện. Các vật liệu như CNTs, PANI đã được tổng hợp cũng như siêu tụ đơn dẻo dựa
trên giấy bucky và màng điện giải dẻo PVA đã được chế tạo. Qua kiểm tra, đo đạc
các đặc tính điện hóa, giấy bucky và polymer PANI đã thể hiện điện dung riêng lần
lượt khoảng 20 F/g và 48.5 F/g, tương đương với mức điện dung mà đã được công
-4-
bố trong các tài liệu nghiên cứu khoa học [38]. Những kết quả này sẽ là tiền đề
quan trọng cho việc thực hiện thành cơng đề tài. Sắp tới, nhóm nghiên cứu cũng sẽ
tiến hành tổng hợp và kiểm tra tính chất điện hóa của vật liệu V2O5 trên giấy bucky.
Vật liệu oxit này đã thể hiện được khả năng dự trữ điện rất lớn (hơn 1000 F/g) khi
được phủ lên giấy bucky trong môi trường siêu tới hạn, theo nghiên cứu tiến sĩ của
thành viên chủ nhiệm đề tài (TS. Đỗ Hữu Quyết) [39-40]. Trong nghiên cứu ở
trung tâm nghiên cứu triển khai, V2O5 sẽ được tổng hợp bằng phương pháp điện
hóa để có giá thành thấp và dễ dàng triển khai sản xuất quy mơ lớn.
Hình 1: Một số kết quả nghiên cứu siêu tụ điện ban đầu
ở Trung tâm Nghiên cứu triển khai
Hình 2: Quy trình chế tạo giấy Bucky bằng phương pháp lọc chân không
-5-
3. Đặc điểm và một số ứng dụng của siêu tụ điện
Siêu tụ điện có điện dung rất lớn so với tụ điện thông thường nên chứa được
rất nhiều điện (năng lượng điện bằng 1/2CU2). Hơn nữa quá trình nạp điện, phóng
điện là một q trình vật lý, điều khiển điện tích chuyển động bằng điện trường,
khơng dùng đến các phản ứng hóa học. Nhờ đó siêu tụ điện rất bền, khơng chóng bị
suy thối: thời gian sử dụng hàng chục năm, nạp đi nạp lại được hơn 500.000 lần
(ăcquy, pin nạp loại tốt nạp đi nạp lại được vài ngàn lần, thời gian sử dụng cỡ một
vài năm).
Việc nạp điện hay phóng điện cho siêu tụ điện có thể tiến hành rất nhanh vì
đây là cách dùng điện trường điều khiển các ion chuyển động để chạy vào các lỗ
nhỏ ở than hoạt tính (khi nạp) hoặc cho electron chạy ở mạch ngoài để cân bằng
loại các ion dương và âm tập trung ở các điện cực than (khi phóng). Ở pin nạp phải
chờ thời gian trao đổi của phản ứng hóa học nên khơng thể nạp nhanh hoặc phóng
nhanh.
Do cấu tạo của lớp điện tích kép, giữa hai cực của một siêu tụ điện chỉ chịu
được hiệu điện thế cỡ 2, 3 vơn. Vì vậy muốn làm việc ở điện thế cao, phải ghép nối
tiếp nhiều siêu tụ điện.
Cũng do cấu tạo của các điện cực bên trong rất gần nhau điện tích nạp cho siêu
tụ điện dễ bị rị rỉ nên khơng giữ được lâu. Siêu tụ điện tự bị sụt thế nhanh hơn là ở
pin nạp, ở ăcquy.
– Những thông số kỹ thuật đáng chú ý là đặc điểm về kích thước và giá
thành.
Đối với các nguồn điện lưu động người ta đưa ra tiêu chuẩn năng lượng tạo ra
được ứng với một đơn vị khối lượng của nguồn: Wh/kg (Watt giờ/kilogam).
Xét về mặt này siêu tụ điện loại tốt hiện nay có mật độ năng lượng xấp xỉ
60Wh/kg, chỉ bằng một nửa của pin nạp tốt nhất Li-ion 120Wh/kg. Tuy nhiên
những nghiên cứu về công nghệ nano cho thấy đã làm được siêu tụ điện với ống
nanocacbon mật độ công suất đến trên 100kWh/kg nghĩa là ba bậc cao hơn mật độ
công suất ở pin nạp tốt nhất hiện nay.
Về giá thành người ta thường tính theo đơn vị đơla trên Farad nghĩa là để chứa
được một Farad thì mất bao nhiêu tiền. Năm 1980 siêu tụ điện 2,3 vôn; điện dung
470 Farad do hãng Panasonic chế tạo tính ra giá thành là 2 đơla một Farad. Hiện
nay giá thành đối với một siêu tụ điện như vậy giảm xuống chỉ cịn 0,1 đơla một
Farad và dự tính nay mai sẽ giảm xuống cịn 0,005 đôla một Farad.
-6-
Có thể kể một vài ứng dụng của siêu tụ điện hiện nay.
– Ứng dụng trong giao thông:
Trung Quốc đã thử nghiệm từ 2005 ở Thượng Hải loại xe buýt điện mới gọi là
Capabus (Capacitor Bus). Loại xe này được trang bị động cơ điện chạy bằng điện
chứa ở siêu tụ điện. Dọc đường xe chạy khơng có đường dây căng ở trên để xe có
cần lấy điện từ đường dây như xe buyt chạy điện thông thường. Ở các trạm đỗ xe
dọc đường có chỗ lấy điện để nạp nhanh điện cho siêu tụ điện, thời gian nạp điện
ngắn hơn thời gian hành khách lên xuống, ở các trạm dừng xe đầu và cuối có chỗ
nạp điện thật no cho siêu tụ điện.
Năm 2001 và 2002 nước Đức đã thử nghiệm tuyến xe buýt công cộng sử dụng
kết hợp diesel và siêu tụ điện. Từ năm 2003 tại Manheim Sadbahn, nước Đức đã
vận hành tuyến đường sắt nhẹ sử dụng siêu tụ điện để tích năng lượng phanh.
Siemens AG đã phát triển Sibac Energy Storage dựa trên siêu tụ điện dùng cho
phương tiện di động. Công ty Senelec cũng đã phát triển hệ thống giao thông dựa
trên siêu tụ điện. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, các siêu tụ điện có
tương lai đầy hứa hẹn.
Bên cạnh đó, cơng nghệ siêu tụ điện hiện đang được ứng dụng cho các xe điện
ở Tây Ban Nha và Pháp cũng như cho các xe điện và xe bus “lai” trên tồn thế
giới. Đối với xe bus, cơng nghệ này có thể giảm khoảng 30% lượng khí thải cácbon. MAN, một công ty sản xuất phương tiện trọng tải lớn tại Munich đã ước tính
những toa xe có lắp thiết bị siêu tụ điện có thể tiết kiệm khoảng 4500 USD một
năm chi phí nhiên liệu.
– Ứng dụng trong năng lượng tái tạo:
Đặc điểm của năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió
v.v… là lúc có, lúc khơng, lúc có rất nhiều, lúc lại rất ít. Thí dụ pin mặt trời cung
cấp điện tốt vào một số giờ ban ngày, lúc nắng to cho dòng điện rất mạnh, lúc mưa
gió, trời tối dịng điện rất yếu hoặc bằng không. Lâu nay, người ta phải dùng ăcquy
để tích điện, nhưng để nạp điện cho ăcquy no phải chờ từ vài giờ đến hơn nửa ngày.
Nếu dùng siêu tụ điện, điện từ pin mặt trời mạnh đến bao nhiêu đều tích hết vào
siêu tụ điện, khơng để “lãng phí” một chút nào. Đối với năng lượng gió cũng vậy,
lúc gió to, siêu tụ điện kịp chứa hết điện năng sinh ra. Mặt khác trở ngại chính hiện
nay khi sử dụng năng lượng tái tạo là phải dùng ăcquy để chứa điện nhưng ăcquy
chỉ nạp lại được một số lần, nói chung là cỡ nửa năm, hay một năm phải thay ăcquy
mới vừa tốn kém lại mất thời giờ. Còn dùng siêu tụ điện phải hơn mười năm mới
phải thay.
Tại Việt Nam, 2 tác giả Võ Trần Tấn Quốc và Nguyễn Chí Ngơn, Trường đại
học Cần Thơ đã có đề tài khoa học “Nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện” – Nghiên
cứu này tìm kiếm một giải pháp ứng dụng siêu tụ điện để tích trữ năng lượng điện
mặt trời thay thế cho ắc-quy; nhằm mục đích phục vụ các ứng dụng công suất thấp
-7-
như đèn chiếu sáng, đèn cảnh báo, cấp nguồn cho các thiết bị điện tử quan trắc môi
trường, các cảm biến công nghiệp trong môi trường độc hại, hay thay thế bình ắcquy của xe gắn máy – vốn rất phổ biến tại Việt Nam.
Nhưng siêu tụ điện cũng có nhược điểm là tích điện khơng được lâu vì rị điện
nội bộ giữa hai cực. Giải pháp tối ưu trong một số trường hợp hiện nay là dùng
song song cả siêu tụ điện cả ăcquy.
Nguồn điện tái tạo (pin mặt trời hoặc năng lượng gió chẳng hạn) tạo ra được
bao nhiêu điện năng, siêu tụ điện chứa ngay được hết và siêu tụ điện lại từ từ nạp
điện cho ăcquy. Nhờ đó ăcquy ln được nạp điện đầy đủ vừa ln ln có điện để
dùng, vừa lâu mới phải thay ăcquy vì ăcquy rất chóng hỏng nếu nạp điện cho ăcquy
không đầy đủ, để cho ăcquy cạn kiệt.
Siêu tụ điện đặc biệt có ích khi dùng để thu gom năng lượng mất mát, bỏ đi.
Một chiếc xe ôtô phải mất mát bao nhiêu năng lượng xăng dầu để lăn bánh, lúc
phanh lại, ơtơ mất hết động năng đã tích lũy được. Người ta lắp vào ơtơ bộ phận
phát ra dịng điện mạnh khi xe ôtô hãm phanh. Điện năng phát ra đó được chứa
ngay vào siêu tụ điện. Người ta lại dùng điện năng chứa trong tụ điện này để khởi
động xe vì lúc khởi động, xe từ đứng yêu đến chuyển động tốn rất nhiều năng
lượng.
Tương tự khi cái cần cẩu nâng một vật lên cao tốn rất nhiều năng lựợng trong
đó có năng lượng để nâng vật nhưng khơng ít năng lượng để nâng bản thân cái cần
cẩu và các bộ phận để kẹp giữ vật nâng. Người ta làm bộ phận tự động phát điện
khi cần cẩu hạ xuống, dòng điện sinh ra rất mạnh trong thời gian tương đối ngắn
này được tích lũy lại ở siêu tụ điện và dùng để phục vụ cho việc nâng cần cẩu lên ở
thời gian tiếp sau đó.
Hiện nay nhiều nhà nghiên cứu, nhiều hãng đang đẩy mạnh việc cải tiến, chế
tạo siêu tụ điện, đặc biệt vận dụng công nghệ nano sử dụng vật liệu có nhiều lỗ nhỏ,
diện tích mặt ngồi cực lớn như vật liệu làm từ ống nanơ cacbon. Siêu tụ điện có
vai trị rất quan trọng trong xu thế tiết kiệm năng lượng, sử dụng năng lượng xanh
hay năng lượng sạch đang được toàn thế giới khuyến khích đẩy mạnh hiện nay.
-8-
II. PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN CƠ
SỞ SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾ
Siêu tụ điện là một giải pháp lưu trữ năng lượng mới đang dần thay thế các tụ
điện thông thường và pin sạc, các siêu tụ phát triển chủ yếu vào việc ứng dụng
trong các phương tiện vận chuyển như tàu hỏa, cần cẩu, ô tô, xe buýt, thang máy và
các loại xe điện. Các đơn vị nhỏ hơn của các siêu tụ được sử dụng làm bộ nhớ sao
lưu cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM). Ngoài ra, các siêu tụ cũng được
sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến năng lượng mặt trời, pin, pin dự phòng,
và đèn flash.
Theo Công ty nghiên cứu thị trường đa quốc gia Lux Research cho biết, thị
trường cho các siêu tụ điện sẽ tăng gấp đôi từ 466 triệu USD năm 2013 lên 836
triệu USD vào năm 2018.
1. Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện theo
thời gian
Theo nguồn CSDL sáng chế Derwent Innovation, sáng chế nghiên cứu về siêu
tụ điện được đăng ký vào cuối thập niên 60, từ năm 1967 đến nay có khoảng 8.129
sáng chế đăng ký. Vào năm 1967 có 1 sáng chế được đăng ký bảo hộ ở Mỹ có số
đơn là US1967655975A, tác giả là: O. Raleigh Douglas. Sáng chế đăng ký về “Bộ
siêu tụ điện trạng thái rắn của ion”
Có thể nói, 2 thập niên đầu, 70 và 80 là giai đoạn tiền nghiên cứu về siêu tụ
điện, do đó, lượng sáng chế đăng ký về nghiên cứu siêu tụ điện khơng nhiều, trung
bình mỗi năm có khoảng 7 sáng chế đăng ký
Sang thập niên 90, lượng sáng chế đăng ký về nghiên cứu siêu tụ điện tăng
nhẹ, trung bình mỗi năm có khoảng 48 sáng chế đăng ký.
Từ năm 2000 đến nay, lượng sáng chế đăng ký về nghiên cứu siêu tụ điện bắt
đầu tăng mạnh, từ 221 sáng chế đăng ký vào năm 2000, tăng dần lên và đạt cao
nhất vào năm 2014 với lượng sáng chế đăng ký là 796. Trong 5 năm trở lại đây, từ
năm 2012 – 2015, lượng sáng chế đăng ký về nghiên cứu siêu tụ điện rất cao, trên
700 sáng chế – điều này cho thấy tiềm năng rất lớn của siêu tụ điện.
Năm
Lượng sáng chế
đăng ký
2012
2013
2014
2015
742
737
796
780
-9-
Hình 3: Tình hình đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện theo thời gian
2. Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện ở các
quốc gia
Hiện nay, sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện được đăng ký bảo hộ ở khoảng
48 quốc gia trên toàn thế giới và 2 tổ chức [WO – tổ chức thế giới (762 SC), EP – tổ
chức châu Âu (498 SC)]. Trong đó, 5 quốc gia tập trung nhiều sáng chế đăng ký
bảo hộ: Trung Quốc: 2.356 SC, Mỹ: 1.335 SC, Nhật Bản: 1.313 SC, Hàn Quốc:
636 SC, Đài Loan: 201 SC. Trong 5 quốc gia dẫn đầu về số lượng sáng chế đăng ký
bảo hộ thì có đến 4 quốc gia thuộc khu vực Châu Á.
Hình 4: Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện ở các quốc gia
– 10 –
Xét về năm bắt đầu có sáng chế đăng ký bảo hộ về siêu tụ điện, thì trong 5
quốc gia dẫn đầu về số lượng sáng chế đăng ký bảo hộ về siêu tụ điện, Trung Quốc
tuy là quốc gia dẫn đầu về số lượng sáng chế đăng ký bảo hộ, nhưng quốc gia có
sáng chế đầu tiên đăng ký bảo hộ là Mỹ (năm 1967), 2 năm sau, năm 1969, tại Nhật
có 1 sáng chế đăng ký bảo hộ. Tiếp đến là tại Trung Quốc, vào năm 1985 có 2 sáng
chế đăng ký bảo hộ, 1 năm sau, năm 1986, tại Hàn Quốc có 1 sáng chế đăng ký bảo
hộ. Cuối cùng là Đài Loan, đến năm 1994, tại Đài Loan có 2 sáng chế đăng ký bảo
hộ.
Khoảng thời gian từ năm 1969 – 1985, và từ 1986 – 1994, tại các quốc gia có
sáng chế đầu tiên đăng ký bảo hộ về siêu tụ điện gồm: Đức, Pháp, Rumania, Anh,
Đan Mạch, Canada, Thụy Sĩ, Hungary, Tây Ban Nha, Israel, và Singapore (cụ thể
xem bảng thống kê bên dưới)
Nơi đăng ký bảo hộ
Mỹ
Nhật Bản
Đức
Năm sáng chế đầu
tiên đăng ký
1967
1969
1970
Pháp
Rumania
Anh
Đan mạch
Canada
Thụy Sĩ
Hungary
Trung Quốc
Hàn Quốc
Tây Ban Nha
1976
1979
1980
1981
1982
1983
1985
1986
1989
Israel
Singapore
Đài Loan
1991
1994
Như vậy, Trung Quốc tuy là nơi có sáng chế đăng ký bảo hộ sau Mỹ, Nhật và
nhiều quốc gia, nhưng lượng sáng chế đăng ký tại Trung Quốc đã gia tăng nhanh
chóng, đặc biệt là trong 5 năm trở lại đây, từ 2012-nay, trung bình mỗi năm, tại
Trung Quốc có khoảng 350 sáng chế đăng ký bảo hộ về siêu tụ điện.
– 11 –
Hình 5: Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện
tại Trung Quốc theo thời gian
3. Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về siêu tụ điện theo các hướng
nghiên cứu
Từ 8.129 sáng chế nghiên cứu về siêu tụ điện, khi đưa vào bảng phân loại sáng
chế quốc tế IPC (International Patent Classification), nhận thấy 2 hướng nghiên cứu
tập trung nhiều sáng chế đăng ký:
– Hướng nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện bằng các cơng nghệ:
o
o
o
o
Hóa vơ cơ:
Hóa hữu cơ
Hợp chất cao phân tử hữu cơ
Nano
– Hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện chủ yếu trong 2 lĩnh vực:
o Hệ thống cung cấp / phân phối năng lượng điện
o Cung cấp điện năng cho các trang bị phụ của phương tiện vận tải như:
phanh điện, môtơ điện, v.v.
a. Hướng nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện theo 4 cơng nghệ chính có khoảng
2.264 sáng chế, gồm: Cơng nghệ hóa vơ cơ, cơng nghệ hóa hữu cơ, cơng nghệ hợp
chất cao phân tử hữu cơ, và cơng nghệ nano. Trong đó, ứng dụng cơng nghệ nano
để chế tạo siêu tụ điện có sáng chế đầu tiên đăng ký vào năm 1997, sáng chế đăng
ký liên quan đến màng BaTiO3 có cấu trúc nano có khả năng lưu trữ điện từ 1000
đến 10.000 lần, có dung lượng lưu trữ ≥ 0,3 Farad / cm3. Từ năm 2012 đến nay,
– 12 –
lượng sáng chế đăng ký về việc ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo siêu tụ điện
mỗi năm một tăng theo xu hướng chung về nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện.
b. Hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện trong 2 lĩnh vực có lượng sáng chế
đăng ký nhiều nhất là: Hệ thống cung cấp / phân phối năng lượng điện; và Cung
cấp điện năng cho các trang bị phụ của phương tiện vận tải như: phanh điện, mơtơ
điện, v.v. Trong đó, hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện trong lĩnh vực cung
cấp / phân phối năng lượng điện có khoảng 675 sáng chế đăng ký, cụ thể trong
hướng nghiên cứu này, các sáng chế đăng ký nghiên cứu về các thiết bị nạp, phóng
điện, xạc điện cho pin, ắc quy, các thiết bị cung cấp điện áp cao, các thiết bị nguồn.
Xét các hướng nghiên cứu của sáng chế đăng ký tại 5 quốc gia dẫn đầu về
lượng sáng chế trong 4 năm từ 2012-2015 là những năm có nhiều sáng chế đăng ký
nhất, nhận thấy:
– Tại hầu hết 5 quốc gia Trung Quốc, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc và Đài Loan, trong
giai đoạn từ năm 2012-2015 các sáng chế đăng ký đều tập trung hướng nghiên cứu
chế tạo siêu tụ điện, hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện chiếm tỷ lệ cịn tương
đối ít.
– Tại Trung Quốc và Mỹ, các sáng chế đăng ký tập trung theo hướng nghiên
cứu chế tạo siêu tụ điện sử dụng cơng nghệ hóa vơ cơ và nano.
– Tại Nhật, Hàn Quốc và Đài Loan, các sáng chế đăng ký tập trung theo hướng
nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện sử dụng cơng nghệ hóa vơ cơ.
Hình 6: Các hướng nghiên cứu của sáng chế đăng ký về siêu tụ điện
tại 5 quốc gia dẫn đầu về lượng sáng chế trong giai đoạn từ năm 2012-2015
KẾT LUẬN:
Tình hình đăng ký sáng chế về nghiên cứu siêu tụ điện trên thế giới đang được
phát triển mạnh mẽ trong 5 năm gần đây đặc biệt là tại Trung Quốc. Hầu hết các
sáng chế đăng ký tại Trung Quốc đều tập trung theo hướng nghiên cứu chế tạo siêu
tụ điện bằng công nghệ hóa vơ cơ và nano.
– 13 –
4. Giới thiệu một số sáng chế:
Tại Việt Nam, ngày 02/07/2012 có 1 sáng chế của Pháp nộp đơn tại Việt
Nam có số đơn là VN20134154A, số đơn ưu tiên nộp tại Pháp là FR20112075A
vào ngày 01/07/2011. Sáng chế đề cập đến bộ thu dòng để sử dụng trong việc tiến
hành điện cực cho hệ thống lưu trữ năng lượng điện, tức là siêu tụ điện. Bộ thu có
lớp dẫn điện che chắn, trong đó trọng lượng của chất khô của ma trận copolymer
trong lớp dẫn điện che chắn dao động từ 30 đến 85%. Tỷ lệ trọng lượng chất khô
của chất dẫn điện trong lớp dẫn điện che chắn dao động từ 15 đến 70%, và tỷ trọng
trọng lượng của chất kết dính rắn đạt được tổng cộng 100% trong lớp dẫn điện che
chắn, do đó độ bền cao và tính dẫn điện của điện cực dẫn điện có thể được tối ưu
hóa. Các chất lót dẫn được chọn từ các ống nano cacbon đen, than chì và / hoặc
cacbon.
Phương pháp sản xuất thiết bị siêu tụ điện kích thước micro cơng nghệ
nano dựa trên cấu trúc đa cực polyaniline được hỗ trợ graphene
CN104637694 (A)
Ngày nộp đơn: 03/02/2015
Sáng chế đề cập đến vật liệu điện cực gồm:
– Vàng: là một bộ thu làm lớp đầu tiên của vật liệu điện cực, có độ dày
10-20 nanomet;
– Graphene xốp: được gắn vào lớp vàng, là lớp thứ hai của vật liệu điện
cực, có độ dày từ 20-40 nanomet;
– Polyaniline: được phủ trên graphene xốp và là lớp bề mặt của vật liệu
điện cực, có độ dày từ 20-40 nanomet.
Thiết bị siêu tụ điện này có khả năng lưu trữ năng lượng lớn, đảm bảo dẫn
điện cao, do đó cơng suất và mật độ năng lượng của siêu tụ điện tăng lên.
Phương pháp sản xuất siêu tụ điện sử dụng hợp chất graphene ba chiều
làm vật liệu điện cực
US2015340170 (A1)
Ngày nộp đơn: 04/02/2015
Hợp chất graphene ba chiều làm vật liệu điện cực, bao gồm:
– Một kim loại chuyển tiếp hydroxit dạng nano
– Một oxit kim loại chuyển tiếp
– một polymer dẫn điện được hấp phụ lên bề mặt của bọt graphene ba
chiều
– 14 –
Siêu tụ điện đạt được công suất tĩnh điện tăng cường và mật độ năng lượng
cao bằng cách sử dụng cấu trúc nhựa tạo bọt tạo ra từ một khung graphene mỏng để
đạt được trọng lượng nhẹ và cũng có hiệu quả lưu giữ cấu trúc nano
Phương pháp và hệ thống phục hồi năng lượng lưu trữ phanh của
đường sắt đô thị dựa trên siêu tụ điện
CN104802646 (A)
Ngày nộp đơn: 20/04/2015
Phương pháp bao gồm các bước sau để kết nối lưới điện trực tiếp của đường
sắt đô thị thông qua một bộ phận cắt (chopping unit) và một bộ phận siêu tụ, trong
đó:
– bộ phận cắt bao gồm hai mô-đun cắt hai chiều được nối liền nhau hoặc
song song;
– hai mô-đun cắt hai chiều được kết nối trực tiếp vào lưới điện và siêu tụ,
kiểm soát việc sạc và xả của bộ phận siêu tụ.
Đặc điểm của sáng chế này là phục hồi và cung cấp lại năng lượng phanh của
đường sắt đô thị và hệ thống trên cũng có thể được áp dụng cho các mạng lưới
đường trục dịng điện 1500V / 750V.
Phương pháp kiểm sốt điện áp cao siêu tụ điện
CN104901360 (A)
Ngày nộp đơn: 15/05/2015
Phương pháp kiểm soát xác định số lượng các siêu tụ trong một hệ thống ngân
hàng siêu tụ điện theo nguyên tắc là điện áp cao nhất. Kiểm soát điện áp đầu ra của
ngân hàng siêu tụ theo nguyên lý cộng hưởng cho phép điện áp của siêu tụ điện đạt
gấp đôi điện áp vào Thời gian cộng hưởng
Bộ kiểm soát năng lượng cho siêu tụ điện
US2015311840 (A1)
Ngày nộp đơn: 06/07/2015
Bộ kiểm soát năng lượng gồm:
C1: siêu tụ điện
– 15 –
C2: tụ lọc
R1: điện trở đầu ra
R2: điện trở mẫu
H: động cơ
Q: ống chuyển mạch
A: thiết bị báo
W: thiết bị ổn định điện áp
D: diode bánh vịng
K: cơng tắc
Các siêu tụ, động cơ, các ống chuyển mạch và điện trở mẫu được kết nối theo
chuỗi để tạo thành một mạch chính. Đầu ra của tín hiệu được kết nối với điện cực
kích hoạt của ống chuyển mạch qua điện trở đầu ra. Thiết bị báo được kết nối với
điện trở mẫu. Điện trở mẫu được kết nối song song với tụ lọc. Động cơ được kết
nối song song với diode bánh xe. Đầu Vcc của thiết bị báo được nối với siêu tụ qua
thiết bị ổn định điện áp. Điểm cuối của thiết bị báo được kết nối với GND và thông
qua công tắc
Mục tiêu của sáng chế là cung cấp bộ kiểm soát năng lượng cho các siêu tụ,
cho phép động cơ được trang bị có thể hoạt động trơn tru và ổn định trong điều kiện
có thể điều chỉnh được
– 16 –
III. GIỚI THIỆU SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO MỚI PHÁT
TRIỂN TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI – BAN QUẢN LÝ
KHU CÔNG NGHỆ CAO TP.HCM
1. Giới thiệu siêu tụ điện dẻo công nghệ Nano
Nhu cầu thay thế pin truyền thống trong các thiết bị điện tử cầm tay hoặc đeo
trên người mà đặc biệt là các thiết bị mềm dẻo đã thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên
cứu về siêu tụ dẻo [19, 20]. Nhóm tác giả mà dẫn đầu là Giáo sư Munir Nayfeh đã
chế tạo siêu tụ dẻo dựa trên điện cực là composite CNT – polyaniline và chất điện
giải dẻo polyvinyl alcohol (PVA), đạt mật độ công suất từ 0.004 đến 0.2 kW Kg-1
và mật độ năng lượng từ 0.3 đến 0.6 Wh Kg-1 [7,8]. Kết quả này khá khiêm tốn do
sử dụng phương pháp chế tạo đơn giản là trộn composite và quét lên bề mặt chất
điện giải dẻo PVA. Cũng từ các vật liệu này, nhóm tác giả từ đại học Thanh Hoa
chế tạo điện cực cho kết quả tốt hơn bằng cách chế tạo polymer PANI trực tiếp trên
mạng CNTs thơng qua q trình điện hóa [17]. Để cải thiện hơn nữa khả năng dự
trữ điện của vật liệu điện cực, ta có thể tích hợp thêm các hạt nano Silic vì loại vật
liệu này đã được chứng minh là có khả năng lưu trữ năng lượng rất lớn trong cơng
nghệ pin Lithium. Nhóm tác giả của Giáo sư Munir Nayfeh cũng đã chứng minh
giả thuyết này bằng phương pháp đơn giản là trộn nano Si với polyaniline dưới
dạng dung dịch phân tán. Composite được tạo ra làm điện cực có điện dung cao gấp
5 lần điện cực làm từ polyaniline thuần túy. Vì thế nếu có thể tích hợp các hạt nano
Silic và PANI trực tiếp trên mạng CNT dựa trên quá trình điện hóa thì có thể đạt
kết quả cao hơn so với kết quả tụ điện của hai nhóm trên. Trong đề tài này, siêu tụ
điện dẻo có hiệu năng cao sẽ được chế tạo trên cơ sở hệ composite nano Si, PANI
và CNTs. Cơng nghệ điện hóa sẽ được sử dụng để tổng hợp hệ vật liệu và so sánh
với phương pháp khuấy trộn – quét mà nhóm giáo sử Nayfeh đã thực hiện.
Ngoài nano Silic, V2O5 cũng là vật liệu tiềm năng để lắng đọng lên màng xốp
CNTs-PANI. V2O5 đã được nghiên cứu và sử dụng cho tụ điện theo cơ chế giả điện
dung từ lâu [21-37] và cũng là vật liệu được ưa thích để chứa ion Li+ cho pin [2834]. Ngồi giá thành thấp, Vanadium có dải hóa trị rộng và trọng lượng phân tử nhỏ
làm cho mật độ lưu trữ điện dung rất cao. Tuy nhiên thách thức lớn nhất đối với
V2O5 là tuổi thọ phóng nạp và khả năng dẫn điện thấp. Do điện tích chỉ có thể chứa
trong một lớp mỏng trên bề mặt của lớp oxit nên để làm cho vật liệu có hiệu quả
cao hơn thì oxit này cần được chế tạo để có bề mặt riêng cao và cần được dựa trên
các vật liệu dẫn điện tốt, chẳng hạn như mạng lưới CNTs-PANI. Để thương mại
hóa siêu tụ dựa trên nền tảng V2O5, thì chu kỳ phóng nạp của vật liệu này cần được
cải thiện. Một nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng chất điện giải làm từ
polymer có thể cải thiện rất tốt tuổi thọ phóng nạp của V2O5 [35]. Do đó siêu tụ dẻo
làm từ mạng composite CNTs-PANI- V2O5 và chất điện giải dẻo PVA được mong
đợi không chỉ có mật độ năng lượng và mật độ cơng suất cao mà cịn có tuổi thọ
dài.
– 17 –
2. Kết quả kiểm tra sản phẩm siêu tụ điện công nghệ nano so với các sản
phẩm thương mại trên thị trường hiện nay
2.1 Hình ảnh siêu tụ điện
Ảnh chụp mẫu stack siêu tụ điện ghép lưỡng cực, với kích thước chưa thu gọn:
12 cm2 và số lớp đơn tụ là 3 lớp được thể hiện trên hình 7. Trên hình, đèn LED
xanh dương với điện áp chiếu sáng khoảng 3V đã được siêu tụ điện nạp đầy chiếu
sáng. Điều này chứng tỏ điện áp của tụ điện được nạp vượt quá 3V.
Hình 7: Hình ảnh stack siêu tụ điện ghép bipolar 3 lớp
2.2 Kiểm tra điện dung và điện áp
Để kiểm tra các tính chất điện hóa như điện dung, điện áp làm việc, phản ứng
oxi hóa khử, phép đo quét thế vòng là phương pháp hữu hiệu để đánh giá. Đường
cong quét thế vòng ở 10 mV/s, từ -3 V đến 3 V của stack siệu tụ được thể hiện trên
hình 8. Dịng điện trung bình khi nạp/xả tụ điện là ~34 mA. Do đó, điện dung trung
bình (C = I/s) đạt khoảng 3,4 F. Trong vùng phóng nạp -3V đến 3V, khơng có sự
đột biến của dịng điện, chứng tỏ điện áp làm việc của tụ đạt hơn 3V. Phần đuôi
cong lên ở gần 3 V và cong xuống ở gần -3 V có thể là do tác động của dòng rò.
– 18 –
Hình 8: Đặc trưng CV ở tốc độ quét 10mV/s của stack siêu tụ
2.3 Kiểm tra tuổi thọ nạp xả
Điện dung của pin, ắc quy thường bị giảm dần theo số lần phóng nạp. Siêu tụ
điện cũng có hiện tượng như vậy, mặc dù sự suy giảm nhỏ hơn rất nhiều. Để kiểm
tra điều này, stack siêu tụ điện được nạp xả với tốc độ cao (100 mV/s) trong 500
vòng và đồ thị dòng điện với thời gian được thể hiện như trên hình 9. Điện dung
của siêu tụ tỷ lệ với dịng điện. Từ đồ thị, ta có thể thấy đ iện dung giữ được 82%
sau 500 vòng nạp xả. Sự suy giảm này chủ yếu là do các phản ứng bất thuận nghịch
thường xảy ra ở các chu kỳ đầu phóng nạp. Càng về sau, sự suy giảm càng nhỏ dần.
Sự suy giảm cũng có thể do các tạp chất trong dung dịch sau 1 thời gian, lắng đọng
trên bề mặt điện cực, làm giảm khả năng tích trữ điện tích của vật liệu điện cực.
Ngồi ra, sự thối hóa vật liệu điện cực cũng là ngun nhân quan trọng của vấn đề
này.
Để cải tiến các vấn đề này, trong quy trình chế tạo, các nguyên vật liệu được
xử lý sạch sẽ, cẩn thận và tránh làm ăn mịn thối hóa điện cực dẫn, tuổi thọ của
siêu tụ đã tăng lên đáng kể như ở hình 9, khi phóng nạp 1560 lần, nhưng vẫn giữ
được 99% dịng điện.
– 19 –
Hình 9: Đặc trưng dịng điện qt kiểm tra tuổi thọ nạp xả
2.4 Kiểm tra lưu giữ điện áp trong 1 ngày
Để kiểm tra khả năng giữ điện áp, stack siêu tụ được nạp đến 3V và giữ trong
20 phút. Sự biến thiên điện áp trong 1 ngày trong điều kiện khơng tải được thể hiện
trên hình 10. Sau khi ngừng nạp, điện áp giữ được vào khoảng 2,8 V và sụt giảm
dần về 0,6 V trong 1 ngày. Sự suy giảm nhanh ban đầu là do tác động của nội trở.
Sự suy giảm về sau do dòng rò và sự phân bố lại điện tích bên trong điện cực siêu
tụ điện.
– 20 –
Hình 10: Sự sụt điện áp của stack siêu tụ do hiện tượng tự xả
2.5 Kiểm tra nhiệt độ làm việc
Khi giảm nhiệt độ về 0°C bằng cách nhúng siêu tụ trong túi nilon vào nước đá
đang tan, siêu tụ điện có điện áp lưu trữ được cịn cao hơn trong điều kiện nhiệt độ
phịng. Hình 11 thể hiện điện áp stack siêu tụ đạt được 3,2 V sau khi nạp nhanh đến
3,3 V. Điều này do ở nhiệt độ lạnh, sự khuếch tán của các ion nhỏ hơn, dẫn tới sự
rị rỉ điện tích thơng qua lớp bề mặt tiếp xúc của điện cực và chất điện giải nhỏ hơn.
Và do đó, siêu tụ điện giữ được điện áp cao hơn.
Hình 11: Thí nghiệm kiểm tra nhiệt độ làm việc và kết quả
2.6 Nội trở và mạch điện tương đương
Công suất của siêu tụ là lượng năng lượng siêu tụ giải phóng/thu nạp được
trên 1 đơn vị thời gian. Cơng suất có thể thay đổi được và phụ thuộc vào tải tiêu thụ
(r)/nguồn nạp, và được tính bởi cơng thức:
– 21 –
Trong đó P là cơng suất, i là dịng điện và u là điện áp ngoài của siêu tụ trong
lúc làm việc.
Tuy nhiên, công suất của siêu tụ không phải là thông số vô hạn, kể cả khi cho
tải tiêu thụ ở mức tối đa (r tiến tới 0) bởi vì cơng suất bị giới hạn bởi điện áp tối đa
(V) của siêu tụ và nội trở của (ri) của nó. Khi r càng nhỏ thì u cũng nhỏ theo.
Khi siêu tụ có điện áp tối đa, cơng suất của tụ như sau:
Công suất của siêu tụ đạt tối đa khi r = ri.
Khi đó
Cơng suất của siêu tụ càng lớn thì càng hữu ích vì nhiều ứng dụng cần có cơng
suất cao như khởi động động cơ, ổn định mạng lưới điện, đóng mở/xoay chuyển
các thiết bị, cửa thốt hiểm …
Để đánh giá công suất tối đa siêu tụ, nhất thiết phải đo được nội trở ri của nó.
Phương pháp đo phổ tổng trở được sử dụng để đo ri và khảo sát các đặc tính
điện/điện hóa của siêu tụ.
Phổ tổng trở dạng Nyquist của 1 stack ghép lưỡng cực được thể hiện như trên
Hình 12. Đường phổ là kết quả của phép đo điện trở thực và ảo của tụ điện ở các
tần số khác nhau từ 10.000 Hz đến 100 mHz, với điện áp dao động +/- 10 mV xung
quanh giá trị điện áp hở mạch. Phần ảo là thể hiện dung kháng của tụ, trong khi
phần thực là điện trở Ohmic. Trên hình ta thấy bắt đầu là 1 vài điểm ở điện trở ảo
âm, tức siêu tụ thể hiện tính cảm kháng, có thể do nhiễu ở tần số rất cao. Tiếp đến
là vòng bán nguyệt, có các điểm đầu và cuối sát trục hồnh, có điện trở thực
khoảng 0,2 Ohm và 0,29 Ohm.
Ở tần số (ω) cao, dung kháng gần bằng 0 vì:
– 22 –
Khi đó, tụ điện chỉ cịn thuần túy trở kháng Ohmic (Rs), bao gồm điện trở của
điện cực, dây dẫn, mối nối và điện trở của ion trong dung dịch điện giải. Để hiểu sự
hình thành của vịng bán nguyệt có thể dựa trên bản chất hai loại điện dung của vật
liệu điện cực làm việc, là điện dung double-layer (C0) và giả điện dung (Cs). Điện
dung double-layer là điện dung tĩnh điện giữa bề mặt vật liệu và lớp tiếp xúc điện
giải. Còn giả điện dung song song với điện dung double-layer, sinh ra là do phản
ứng oxi hóa khử giữa vật liệu điện cực và dung dịch điện giải. Phản ứng oxi hóa
khử sẽ kèm theo 1 điện trở Faradaic trao đổi điện tích (Rct) nối tiếp.
Như vậy có thể hình dung mạch điện tương đương gồm điện trở Rs nối nối
tiếp với 1 cụm 2 mạch song song là C0 và (Cs nối tiếp với Rct). Cần phải xem xét
thêm, khi siêu tụ đặt dưới 1 dao động điện thì tạo ra 1 dạng sóng các lớp hạt tích
điện trong dung dịch, và trong điện cực làm việc. Do đó thành phần (Cs nối tiếp với
Rct) có thể được biểu diễn bởi cấu trúc Warburg Circuit (Wo) như trên hình 13. Từ
mạch tương đương, có thể chuẩn hóa mơ hình, tính ra các thơng số vật lý, hóa học
của siêu tụ điện bằng phần mềm Zview. Trong trường hợp siêu tụ ở hình 13a, điểm
giao sát trục hồnh của vịng bán nguyệt tại điện trở Ohmic 0,2 và 0,29 Ohm chính
là Rs và Rs + Rct. Do đó nội trở (Rs + Rct) của siêu tụ đạt là 0,29 Ohm.
Hình 12: Phổ tổng trở của siêu tụ
– 23 –
Hình 13: Phổ tổng trở và mơ hình mạch điện tương đương
2.7 So sánh các thông số Stack bipolar 3 tụ
Như ở phần trên đã trình bày, khi đo đạc được nội trở ri = Rs + Rct của siêu tụ
điện, ta có thể tính được cơng suất riêng cực đại của siêu tụ:
Các thông số của stack siêu tụ như sau:
• Khối lượng m = 4.8 g
• Điện dung C = 3,6 F
• Kích thước: 3×4 cm2
• Nội trở: ri = 0.29 ohm
• Vmax = ~3.3 V
Mật độ năng lượng và cơng suất tính được như sau:
• Pmax = 2,33 kW/kg
• Emax = 1.35 Wh/kg
– 24 –
Hình 14: Giản đồ Ragon so sánh các thơng số năng lượng và cơng suất
Trong giản đồ Ragone (hình 14) có thể thấy rằng các siêu tụ điện chiếm một vị
trí quan trọng về mặt năng lượng và cơng suất. Hiện nay việc lưu trữ năng lượng là
một vần đề hết sức cần thiết và điều này được đáp ứng bởi các siêu tụ điện do có
mật độ cơng suất cao và mật độ năng lượng lớn. Ngoài ra, các stack siêu tụ có thể
hoạt động trong một phạm vi rộng của nhiệt độ và có tuổi thọ nạp xả dài cũng là
điểm nổi bật cho các ứng dụng hiện nay. Các tụ điện hóa học (electrochemical
capacitor, EC) thương mại hiện nay khơng có mật độ năng lượng lớn như của pin,
để đáp ứng cho các thiết bị có trọng lượng từ 5 đến 10 kg. Tuy nhiên, mật độ công
suất của EC lại vượt xa so với pin, với khả năng sạc và xả năng lượng tích trữ trong
vài giây và có tuổi thọ lên đến hơn 106 chu kỳ nạp xả trong phạm vi nhiệt độ làm
việc rộng, đáp ứng các tiêu chuẩn về môi trường và các thiết bị này cũng có thể tái
chế.
KẾT LUẬN:
Tóm lại, nhóm nghiên cứu đã đạt được quy trình chế tạo điện cực composite
với 3 thành phần CNT/Nano Si/PANI với điện dung cao nhất là 612.7 F/g và
CNT/PANi/V2O5 là 415 F/g cao hơn so với điện dung điện cực đã đăng ký từ 200 –
350 F/g
Các mẫu tế bào siêu tụ dẻo với tính năng vượt trội về mật độ năng lượng và
công suất. Các sản phẩm này sẽ là cơ sở để tiến tới ghép nối chế tạo bộ siêu tụ hoàn
chỉnh cho các thiết bị điện tử dẻo, mang trên người.
– 25 –
1. Tình hình nộp đơn ĐK sáng tạo về điều tra và nghiên cứu siêu tụ điện theo thời hạn. 92. Tình hình nộp đơn ĐK sáng tạo về điều tra và nghiên cứu siêu tụ điện ở các quốc gia103. Tình hình nộp đơn ĐK sáng tạo về siêu tụ điện theo các hướng nghiên cứu và điều tra … … … … … … … …………………………………………………………………………………… 124. Giới thiệu 1 số ít sáng tạo : …………………………………………………………………….. 14III. GIỚI THIỆU SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO MỚI PHÁT TRIỂNTẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI – BAN QUẢN LÝ KHUCÔNG NGHỆ CAO TP.HCM …………………………………………………………………… 171. Giới thiệu siêu tụ điện dẻo công nghệ tiên tiến Nano ……………………………………………… 172. Kết quả kiểm tra loại sản phẩm siêu tụ điện công nghệ tiên tiến nano so với các sản phẩmthương mại trên thị trường lúc bấy giờ ………………………………………………………………. 182.1 Hình ảnh siêu tụ điện …………………………………………………………………………… 182.2 Kiểm tra điện dung và điện áp ……………………………………………………………… 182.3 Kiểm tra tuổi thọ nạp xả ………………………………………………………………………. 192.4 Kiểm tra lưu giữ điện áp trong 1 ngày …………………………………………………… 202.5 Kiểm tra nhiệt độ thao tác …………………………………………………………………… 212.6 Nội trở và mạch điện tương tự ……………………………………………………….. 212.7 So sánh các thông số kỹ thuật Stack bipolar 3 tụ …………………………………………………. 24T ÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………………………………. 27-2 – SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNGVÀ XU HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNGVÀ ỔN ĐỊNH NGUỒN ĐIỆN * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * I. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SIÊU TỤ ĐIỆNTRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM1. Tình hình nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện nói chung trên thế giớiSiêu tụ điện ( tiếng Anh là supercapacitor, electrochemical capacitor hayultracapacitor ) hoàn toàn có thể được coi là một mơ hình tàng trữ điện trung gian giữa pin ( hiệu suất thấp / nguồn năng lượng cao ) và tụ điện ( hiệu suất cao / nguồn năng lượng thấp ) Nhằm tăng năng lực xâm nhập thị trường, cung ứng nhu yếu phong phú chonhiều ứng dụng cơng nghệ khác nhau ( máy tính, thiết bị công cụ cầm tay, thiết bịlưu trữ điện gia dụng và công nghiệp, mạng lưới hệ thống tàng trữ điện trong các phương tiệngiao thông vận tải đường bộ … ) cũng như liên tục cải tổ các thông số kỹ thuật quản lý và vận hành, nhiềunghiên cứu về siêu tụ đang lôi cuốn sự góp vốn đầu tư can đảm và mạnh mẽ của các cơng ty, tập đồn lớntrên quốc tế cũng như các TT nghiên cứu và điều tra, trường ĐH ở nhiều nước. Hiệnnay, siêu tụ điện nhóm hybrid capacitor ( siêu tụ thế hệ mới nhất ) đang lôi cuốn sựquan tâm đặc biệt quan trọng do hoàn toàn có thể tích hợp được nhiều ưu điểm của các dạng siêu tụ thế hệtrước cùng với các tính năng điển hình nổi bật đặc trưng của tụ điện truyền thống cuội nguồn và pin / ắc quy, cũng như hoàn toàn có thể phân phối những tính năng quản lý và vận hành đặc biệt quan trọng cho các yêu cầuchuyên dụng. Nhóm siêu tụ này hoàn toàn có thể được chia ra thành 3 phân nhóm nhỏ dựatrên đặc tính của electrode ( điện cực ) gồm có composite, asymmetric và batterytype. Asymmetric electrode : với dạng siêu tụ này, 2 điện cực dương và âm đượcchế tạo từ những vật tư khác nhau. Thông thường, polymer dẫn điện được chọnlàm điện cực dương trong khi carbon hoạt tính làm điện cực âm [ 1 ]. Sự tích hợp nàydẫn đến dạng siêu tụ này có chỉ số tỷ lệ hiệu suất và nguồn năng lượng cao hơn siêu tụdạng double – layer và có tuổi thọ sử dụng cao hơn siêu tụ dạng pseudo [ 9-11 ]. Battery – type electrode : siêu tụ ở dạng này có cấu trúc tương tự như vớiasymmetric electrode. Điểm độc lạ duy nhất là 1 điện cực hoạt động giải trí theo cơ chếsiêu tụ ( vật tư thường sử dụng carbon hoạt tính ) và 1 còn lại hoạt động giải trí theo cơchế của battery ( vật tư thường dùng là nickel hydroxide, chì dioxide, hoặc LTO ( Li4Ti5O12 ) ). Cấu trúc siêu tụ dạng này được cho là hoàn toàn có thể tích hợp được ưu điểmnổi bật của battery ( năng lực tích trữ nguồn năng lượng cao ) với các đặc thù điển hình nổi bật củasiêu tụ ( tỷ lệ hiệu suất lớn, tuổi thọ dài, thời hạn nạp nhanh ) [ 12-14 ]. Composite electrode : Hai nhóm trên tối ưu hóa các đặc tính của tụ điện dựatrên phong cách thiết kế hai bản cực tụ sử dụng các loại điện cực khác nhau. Vì thế điều quantrọng vẫn là phải tìm ra được vật tư tốt để làm điện cực. Loại vật tư đang được-3-chú trọng tăng trưởng trên quốc tế cho linh phụ kiện dự trữ nguồn năng lượng nói chung và siêutụ điện nói riêng là vật tư composite của những dạng vật tư carbon ( đặc biệt quan trọng làCNTs [ 18 ] ) và polymer dẫn điện hoặc oxide sắt kẽm kim loại hay 1 số ít các vật tư ởdạng nano. Đặc điểm điển hình nổi bật của loại điện cực dạng này là phối hợp được cả 2 nguyên tắc tạo ra điện dung ( tĩnh điện và điện hóa ). Vật liệu carbon tạo ra điện dungqua chính sách double – layer, đồng thời cũng đóng vai trị là hệ khung có diện tích quy hoạnh bềmặt riêng lớn để các vật tư khác bám dính lên, qua đó tạo ra điện dung cho siêu tụqua chính sách giả điện dung. Trong đó, hệ điện cực composite được điều tra và nghiên cứu khá kỹvà cho những hiệu quả tốt là hệ CNT – polypyrrole, graphene / polyaniline nanofiberhay graphene / MnO2 với những tính năng tiêu biểu vượt trội khi so sánh với điện cực chế tạođơn thuần từ CNT hay polypyrrole đơn lẻ [ 4-6 ]. Một số cơng trình được cơng bốgần đây cũng cho những hiệu quả tương đối khả quan cho hệ composite CNT – polyaniline [ 7 ] hoặc nano Si – polyaniline ( PANI ) [ 8 ]. Ngồi điện cực đóng vai trị rất quan trọng trong việc quyết định hành động độ lớn củađiện dung và nguyên tắc hoạt động giải trí của siêu tụ, 2 thành phần cơ bản khác trong cấutrúc siêu tụ cũng có những ảnh hưởng tác động quan trọng tới hiệu suất cao hoạt động giải trí của toànbộ linh phụ kiện, đó là chất điện giải và màng ngăn cách. Chất điện giải sử dụng trongsiêu tụ thường thì ở dạng lỏng, hoàn toàn có thể là dung mơi hữu cơ hoặc ở dạng dung dichnước. Tuy nhiên, điều này tạo ra nhiều hạn chế trong quy trình sử dụng và bảo quảnnên gần đây, các chất điện giải dẻo đã và đang được nghiên cứu và điều tra, sử dụng để thaythế cho các chất điện giải lỏng truyền thống cuội nguồn. Chất điện giải dẻo cùng với điện cực, điện cực dẫn dẻo sẽ tạo ra siêu tụ dẻo, một mẫu sản phẩm đang lôi cuốn sự chăm sóc rấtlớn các điều tra và nghiên cứu lúc bấy giờ bởi các ứng dụng tiềm năng của nó trong linh kiệnđiện tử, xe điện, nguồn năng lượng tái tạo … 2. Tình hình nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện ở Nước Ta và TT nghiên cứutriển khai, khu CNC – TPHCMDo sự mê hoặc của thị trường siêu tụ, điều tra và nghiên cứu về vật tư cho loại linh kiệnnày cũng đã được quan tâm ở Nước Ta. Đã có một số ít cơng bố điều tra và nghiên cứu về chế tạovật liệu MnO2 làm điện cực theo chính sách giả điện dung, trong đó đáng chú ý quan tâm là cơngbố hiệu quả điện dung 199 F / g của nhóm điều tra và nghiên cứu ở Đại Học Khoa Học TựNhiên, thuộc Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [ 36 ]. Ngồi ra, cũng đãcó điều tra và nghiên cứu về vật tư cho điện cực lớp kép, sử dụng cấu trúc thớ nano ( nanofibrillar ) [ 37 ]. Nhìn chung, điều tra và nghiên cứu về tụ điện ở Nước Ta mới dừng lại ởchế tạo và khảo sát 1 số ít vật tư khá thông dụng để làm điện cực. Cho nên, để pháttriển công nghệ tiên tiến siêu tụ điện ở nước ta, sẽ rất cần những nghiên cứu và điều tra sâu hơn về vậtliệu mới cũng như nghiên cứu và điều tra chế tạo linh phụ kiện hoàn hảo. Trên niềm tin này, TT nghiên cứu và điều tra tiến hành thuộc khu CNC – TPHCMđã có những nghiên cứu và điều tra quan trọng bắt đầu về vật tư cũng như linh phụ kiện siêu tụđiện. Các vật tư như CNTs, PANI đã được tổng hợp cũng như siêu tụ đơn dẻo dựatrên giấy bucky và màng điện giải dẻo PVA đã được chế tạo. Qua kiểm tra, đo đạccác đặc tính điện hóa, giấy bucky và polymer PANI đã biểu lộ điện dung riêng lầnlượt khoảng chừng 20 F / g và 48.5 F / g, tương tự với mức điện dung mà đã được công-4-bố trong các tài liệu nghiên cứu và điều tra khoa học [ 38 ]. Những hiệu quả này sẽ là tiền đềquan trọng cho việc triển khai thành cơng đề tài. Sắp tới, nhóm nghiên cứu và điều tra cũng sẽtiến hành tổng hợp và kiểm tra đặc thù điện hóa của vật tư V2O5 trên giấy bucky. Vật liệu oxit này đã bộc lộ được năng lực dự trữ điện rất lớn ( hơn 1000 F / g ) khiđược phủ lên giấy bucky trong môi trường tự nhiên siêu tới hạn, theo điều tra và nghiên cứu tiến sỹ củathành viên chủ nhiệm đề tài ( TS. Đỗ Hữu Quyết ) [ 39-40 ]. Trong điều tra và nghiên cứu ởtrung tâm nghiên cứu và điều tra tiến hành, V2O5 sẽ được tổng hợp bằng chiêu thức điệnhóa để có giá thành thấp và thuận tiện tiến hành sản xuất quy mơ lớn. Hình 1 : Một số hiệu quả nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện ban đầuở Trung tâm Nghiên cứu triển khaiHình 2 : Quy trình chế tạo giấy Bucky bằng giải pháp lọc chân không-5-3. Đặc điểm và một số ít ứng dụng của siêu tụ điệnSiêu tụ điện có điện dung rất lớn so với tụ điện thường thì nên chứa đượcrất nhiều điện ( nguồn năng lượng điện bằng 1/2 CU2 ). Hơn nữa quy trình nạp điện, phóngđiện là một q trình vật lý, điều khiển và tinh chỉnh điện tích hoạt động bằng điện trường, khơng dùng đến các phản ứng hóa học. Nhờ đó siêu tụ điện rất bền, khơng chóng bịsuy thối : thời hạn sử dụng hàng chục năm, nạp đi nạp lại được hơn 500.000 lần ( ăcquy, pin nạp loại tốt nạp đi nạp lại được vài ngàn lần, thời hạn sử dụng cỡ mộtvài năm ). Việc nạp điện hay phóng điện cho siêu tụ điện hoàn toàn có thể thực thi rất nhanh vìđây là cách dùng điện trường tinh chỉnh và điều khiển các ion hoạt động để chạy vào các lỗnhỏ ở than hoạt tính ( khi nạp ) hoặc cho electron chạy ở mạch ngoài để cân bằngloại các ion dương và âm tập trung chuyên sâu ở các điện cực than ( khi phóng ). Ở pin nạp phảichờ thời hạn trao đổi của phản ứng hóa học nên khơng thể nạp nhanh hoặc phóngnhanh. Do cấu trúc của lớp điện tích kép, giữa hai cực của một siêu tụ điện chỉ chịuđược hiệu điện thế cỡ 2, 3 vơn. Vì vậy muốn thao tác ở điện thế cao, phải ghép nốitiếp nhiều siêu tụ điện. Cũng do cấu trúc của các điện cực bên trong rất gần nhau điện tích nạp cho siêutụ điện dễ bị rị rỉ nên khơng giữ được lâu. Siêu tụ điện tự bị sụt thế nhanh hơn là ởpin nạp, ở ăcquy. – Những thông số kỹ thuật kỹ thuật đáng quan tâm là đặc thù về kích cỡ và giáthành. Đối với các nguồn điện lưu động người ta đưa ra tiêu chuẩn nguồn năng lượng tạo rađược ứng với một đơn vị chức năng khối lượng của nguồn : Wh / kg ( Watt giờ / kilogam ). Xét về mặt này siêu tụ điện loại tốt lúc bấy giờ có tỷ lệ nguồn năng lượng xấp xỉ60Wh / kg, chỉ bằng 50% của pin nạp tốt nhất Li-ion 120W h / kg. Tuy nhiênnhững nghiên cứu và điều tra về công nghệ tiên tiến nano cho thấy đã làm được siêu tụ điện với ốngnanocacbon tỷ lệ hiệu suất đến trên 100 kWh / kg nghĩa là ba bậc cao hơn mật độcông suất ở pin nạp tốt nhất lúc bấy giờ. Về giá tiền người ta thường tính theo đơn vị chức năng đơla trên Farad nghĩa là để chứađược một Farad thì mất bao nhiêu tiền. Năm 1980 siêu tụ điện 2,3 vôn ; điện dung470 Farad do hãng Panasonic chế tạo tính ra giá tiền là 2 đơla một Farad. Hiệnnay giá tiền so với một siêu tụ điện như vậy giảm xuống chỉ cịn 0,1 đơla mộtFarad và dự trù nay mai sẽ giảm xuống cịn 0,005 đôla một Farad. – 6 – Có thể kể một vài ứng dụng của siêu tụ điện lúc bấy giờ. – Ứng dụng trong giao thông vận tải : Trung Quốc đã thử nghiệm từ 2005 ở Thượng Hải loại xe buýt điện mới gọi làCapabus ( Capacitor Bus ). Loại xe này được trang bị động cơ điện chạy bằng điệnchứa ở siêu tụ điện. Dọc đường xe chạy khơng có đường dây căng ở trên để xe cócần lấy điện từ đường dây như xe buyt chạy điện thông thường. Ở các trạm đỗ xedọc đường có chỗ lấy điện để nạp nhanh điện cho siêu tụ điện, thời hạn nạp điệnngắn hơn thời hạn hành khách lên xuống, ở các trạm dừng xe đầu và cuối có chỗnạp điện thật no cho siêu tụ điện. Năm 2001 và 2002 nước Đức đã thử nghiệm tuyến xe buýt công cộng sử dụngkết hợp diesel và siêu tụ điện. Từ năm 2003 tại Manheim Sadbahn, nước Đức đãvận hành tuyến đường sắt nhẹ sử dụng siêu tụ điện để tích nguồn năng lượng phanh. Siemens AG đã tăng trưởng Sibac Energy Storage dựa trên siêu tụ điện dùng chophương tiện di động. Công ty Senelec cũng đã tăng trưởng mạng lưới hệ thống giao thông vận tải dựatrên siêu tụ điện. Cùng với sự tăng trưởng của công nghệ tiên tiến nano, các siêu tụ điện cótương lai đầy hứa hẹn. Bên cạnh đó, cơng nghệ siêu tụ điện hiện đang được ứng dụng cho các xe điệnở Tây Ban Nha và Pháp cũng như cho các xe điện và xe bus “ lai ” trên tồn thếgiới. Đối với xe bus, cơng nghệ này hoàn toàn có thể giảm khoảng chừng 30 % lượng khí thải cácbon. MAN, một công ty sản xuất phương tiện đi lại trọng tải lớn tại Munich đã ước tínhnhững toa xe có lắp thiết bị siêu tụ điện hoàn toàn có thể tiết kiệm ngân sách và chi phí khoảng chừng 4500 USD mộtnăm ngân sách nguyên vật liệu. – Ứng dụng trong nguồn năng lượng tái tạo : Đặc điểm của nguồn năng lượng tái tạo như nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng gióv. v … là lúc có, lúc khơng, lúc có rất nhiều, lúc lại rất ít. Thí dụ pin mặt trời cungcấp điện tốt vào 1 số ít giờ ban ngày, lúc nắng to cho dòng điện rất mạnh, lúc mưagió, trời tối dịng điện rất yếu hoặc bằng không. Lâu nay, người ta phải dùng ăcquyđể tích điện, nhưng để nạp điện cho ăcquy no phải chờ từ vài giờ đến hơn nửa ngày. Nếu dùng siêu tụ điện, điện từ pin mặt trời mạnh đến bao nhiêu đều tích hết vàosiêu tụ điện, khơng để “ tiêu tốn lãng phí ” một chút ít nào. Đối với nguồn năng lượng gió cũng vậy, lúc gió to, siêu tụ điện kịp chứa hết điện năng sinh ra. Mặt khác trở ngại chính hiệnnay khi sử dụng nguồn năng lượng tái tạo là phải dùng ăcquy để chứa điện nhưng ăcquychỉ nạp lại được 1 số ít lần, nói chung là cỡ nửa năm, hay một năm phải thay ăcquymới vừa tốn kém lại mất thời giờ. Còn dùng siêu tụ điện phải hơn mười năm mớiphải thay. Tại Nước Ta, 2 tác giả Võ Trần Tấn Quốc và Nguyễn Chí Ngơn, Trường đạihọc Cần Thơ đã có đề tài khoa học “ Nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện ” – Nghiêncứu này tìm kiếm một giải pháp ứng dụng siêu tụ điện để tích trữ nguồn năng lượng điệnmặt trời thay thế sửa chữa cho ắc-quy ; nhằm mục đích mục tiêu ship hàng các ứng dụng hiệu suất thấp-7-như đèn chiếu sáng, đèn cảnh báo nhắc nhở, cấp nguồn cho các thiết bị điện tử quan trắc môitrường, các cảm ứng công nghiệp trong môi trường tự nhiên ô nhiễm, hay thay thế sửa chữa bình ắcquy của xe gắn máy – vốn rất phổ cập tại Nước Ta. Nhưng siêu tụ điện cũng có điểm yếu kém là tích điện khơng được lâu vì rị điệnnội bộ giữa hai cực. Giải pháp tối ưu trong một số ít trường hợp lúc bấy giờ là dùngsong tuy nhiên cả siêu tụ điện cả ăcquy. Nguồn điện tái tạo ( pin mặt trời hoặc nguồn năng lượng gió ví dụ điển hình ) tạo ra đượcbao nhiêu điện năng, siêu tụ điện chứa ngay được hết và siêu tụ điện lại từ từ nạpđiện cho ăcquy. Nhờ đó ăcquy ln được nạp điện khá đầy đủ vừa ln ln có điện đểdùng, vừa lâu mới phải thay ăcquy vì ăcquy rất chóng hỏng nếu nạp điện cho ăcquykhông khá đầy đủ, để cho ăcquy hết sạch. Siêu tụ điện đặc biệt quan trọng có ích khi dùng để thu gom nguồn năng lượng mất mát, bỏ đi. Một chiếc xe ôtô phải mất mát bao nhiêu nguồn năng lượng xăng dầu để lăn bánh, lúcphanh lại, ơtơ mất hết động năng đã tích góp được. Người ta lắp vào ơtơ bộ phậnphát ra dịng điện mạnh khi xe ôtô hãm phanh. Điện năng phát ra đó được chứangay vào siêu tụ điện. Người ta lại dùng điện năng chứa trong tụ điện này để khởiđộng xe vì lúc khởi động, xe từ đứng yêu đến hoạt động tốn rất nhiều nănglượng. Tương tự khi cái cần cẩu nâng một vật lên cao tốn rất nhiều năng lựợng trongđó có nguồn năng lượng để nâng vật nhưng khơng ít nguồn năng lượng để nâng bản thân cái cầncẩu và các bộ phận để kẹp giữ vật nâng. Người ta làm bộ phận tự động hóa phát điệnkhi cần cẩu hạ xuống, dòng điện sinh ra rất mạnh trong thời hạn tương đối ngắnnày được tích góp lại ở siêu tụ điện và dùng để Giao hàng cho việc nâng cần cẩu lên ởthời gian tiếp sau đó. Hiện nay nhiều nhà điều tra và nghiên cứu, nhiều hãng đang tăng nhanh việc nâng cấp cải tiến, chếtạo siêu tụ điện, đặc biệt quan trọng vận dụng công nghệ tiên tiến nano sử dụng vật tư có nhiều lỗ nhỏ, diện tích quy hoạnh mặt ngồi cực lớn như vật tư làm từ ống nanơ cacbon. Siêu tụ điện cóvai trị rất quan trọng trong xu thế tiết kiệm chi phí nguồn năng lượng, sử dụng nguồn năng lượng xanhhay nguồn năng lượng sạch đang được toàn quốc tế khuyến khích tăng nhanh lúc bấy giờ. – 8 – II. PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN CƠSỞ SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾSiêu tụ điện là một giải pháp tàng trữ nguồn năng lượng mới đang dần sửa chữa thay thế các tụđiện thường thì và pin sạc, các siêu tụ tăng trưởng đa phần vào việc ứng dụngtrong các phương tiện đi lại luân chuyển như tàu hỏa, cần cẩu, xe hơi, xe buýt, thang máy vàcác loại xe điện. Các đơn vị chức năng nhỏ hơn của các siêu tụ được sử dụng làm bộ nhớ saolưu cho bộ nhớ truy vấn ngẫu nhiên tĩnh ( SRAM ). Ngoài ra, các siêu tụ cũng đượcsử dụng trong các ứng dụng tương quan đến nguồn năng lượng mặt trời, pin, pin dự trữ, và đèn flash. Theo Công ty điều tra và nghiên cứu thị trường đa vương quốc Lux Research cho biết, thịtrường cho các siêu tụ điện sẽ tăng gấp đôi từ 466 triệu USD năm 2013 lên 836 triệu USD vào năm 2018.1. Tình hình nộp đơn ĐK sáng tạo về nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện theothời gianTheo nguồn CSDL sáng chế Derwent Innovation, sáng tạo điều tra và nghiên cứu về siêutụ điện được ĐK vào cuối thập niên 60, từ năm 1967 đến nay có khoảng chừng 8.129 sáng tạo ĐK. Vào năm 1967 có 1 sáng tạo được ĐK bảo lãnh ở Mỹ có sốđơn là US1967655975A, tác giả là : O. Raleigh Douglas. Sáng chế ĐK về “ Bộsiêu tụ điện trạng thái rắn của ion ” Có thể nói, 2 thập niên đầu, 70 và 80 là quy trình tiến độ tiền điều tra và nghiên cứu về siêu tụđiện, do đó, lượng sáng tạo ĐK về nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện khơng nhiều, trungbình mỗi năm có khoảng chừng 7 sáng tạo đăng kýSang thập niên 90, lượng sáng tạo ĐK về nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện tăngnhẹ, trung bình mỗi năm có khoảng chừng 48 sáng tạo ĐK. Từ năm 2000 đến nay, lượng sáng tạo ĐK về nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện bắtđầu tăng mạnh, từ 221 sáng tạo ĐK vào năm 2000, tăng dần lên và đạt caonhất vào năm năm trước với lượng sáng tạo ĐK là 796. Trong 5 năm trở lại đây, từnăm 2012 – năm ngoái, lượng sáng tạo ĐK về nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện rất cao, trên700 sáng tạo – điều này cho thấy tiềm năng rất lớn của siêu tụ điện. NămLượng sáng chếđăng ký2012201320142015742737796780-9-Hình 3 : Tình hình ĐK sáng tạo về điều tra và nghiên cứu siêu tụ điện theo thời gian2. Tình hình nộp đơn ĐK sáng tạo về nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện ở cácquốc giaHiện nay, sáng tạo về điều tra và nghiên cứu siêu tụ điện được ĐK bảo lãnh ở khoảng48 vương quốc trên toàn quốc tế và 2 tổ chức triển khai [ WO – tổ chức triển khai quốc tế ( 762 SC ), EP – tổchức châu Âu ( 498 SC ) ]. Trong đó, 5 vương quốc tập trung chuyên sâu nhiều sáng tạo đăng kýbảo hộ : Trung Quốc : 2.356 SC, Mỹ : 1.335 SC, Nhật Bản : 1.313 SC, Nước Hàn : 636 SC, Đài Loan : 201 SC. Trong 5 vương quốc đứng vị trí số 1 về số lượng sáng tạo đăng kýbảo hộ thì có đến 4 quốc gia thuộc khu vực Châu Á.Hình 4 : Tình hình ĐK bảo lãnh sáng tạo về nghiên cứu và điều tra siêu tụ điện ở các vương quốc – 10 – Xét về năm mở màn có sáng tạo ĐK bảo lãnh về siêu tụ điện, thì trong 5 vương quốc đứng vị trí số 1 về số lượng sáng tạo ĐK bảo lãnh về siêu tụ điện, Trung Quốctuy là vương quốc đứng vị trí số 1 về số lượng sáng tạo ĐK bảo lãnh, nhưng vương quốc cósáng chế tiên phong ĐK bảo lãnh là Mỹ ( năm 1967 ), 2 năm sau, năm 1969, tại Nhậtcó 1 sáng tạo ĐK bảo lãnh. Tiếp đến là tại Trung Quốc, vào năm 1985 có 2 sángchế ĐK bảo lãnh, 1 năm sau, năm 1986, tại Nước Hàn có 1 sáng chế ĐK bảohộ. Cuối cùng là Đài Loan, đến năm 1994, tại Đài Loan có 2 sáng tạo ĐK bảohộ. Khoảng thời hạn từ năm 1969 – 1985, và từ 1986 – 1994, tại các vương quốc cósáng chế tiên phong ĐK bảo lãnh về siêu tụ điện gồm : Đức, Pháp, Rumania, Anh, Đan Mạch, Canada, Thụy Sĩ, Hungary, Tây Ban Nha, Israel, và Nước Singapore ( cụ thểxem bảng thống kê bên dưới ) Nơi ĐK bảo hộMỹNhật BảnĐứcNăm sáng chế đầutiên đăng ký196719691970PhápRumaniaAnhĐan mạchCanadaThụy SĩHungaryTrung QuốcHàn QuốcTây Ban Nha197619791980198119821983198519861989IsraelSingaporeĐài Loan19911994Như vậy, Trung Quốc tuy là nơi có sáng tạo ĐK bảo lãnh sau Mỹ, Nhật vànhiều vương quốc, nhưng lượng sáng tạo ĐK tại Trung Quốc đã ngày càng tăng nhanhchóng, đặc biệt quan trọng là trong 5 năm trở lại đây, từ 2012 – nay, trung bình mỗi năm, tạiTrung Quốc có khoảng chừng 350 sáng tạo ĐK bảo lãnh về siêu tụ điện. – 11 – Hình 5 : Tình hình ĐK bảo lãnh sáng tạo về điều tra và nghiên cứu siêu tụ điệntại Trung Quốc theo thời gian3. Tình hình nộp đơn ĐK sáng tạo về siêu tụ điện theo các hướngnghiên cứuTừ 8.129 sáng chế điều tra và nghiên cứu về siêu tụ điện, khi đưa vào bảng phân loại sángchế quốc tế IPC ( International Patent Classification ), nhận thấy 2 hướng nghiên cứutập trung nhiều sáng tạo ĐK : – Hướng điều tra và nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện bằng các cơng nghệ : Hóa vơ cơ : Hóa hữu cơHợp chất cao phân tử hữu cơNano – Hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện đa phần trong 2 nghành : o Hệ thống cung ứng / phân phối nguồn năng lượng điệno Cung cấp điện năng cho các trang bị phụ của phương tiện đi lại vận tải đường bộ như : phanh điện, môtơ điện, v.v. a. Hướng nghiên cứu và điều tra chế tạo siêu tụ điện theo 4 cơng nghệ chính có khoảng2. 264 sáng tạo, gồm : Cơng nghệ hóa vơ cơ, cơng nghệ hóa hữu cơ, cơng nghệ hợpchất cao phân tử hữu cơ, và cơng nghệ nano. Trong đó, ứng dụng cơng nghệ nanođể chế tạo siêu tụ điện có sáng tạo tiên phong ĐK vào năm 1997, sáng tạo đăngký tương quan đến màng BaTiO3 có cấu trúc nano có năng lực tàng trữ điện từ 1000 đến 10.000 lần, có dung tích tàng trữ ≥ 0,3 Farad / cm3. Từ năm 2012 đến nay, – 12 – lượng sáng tạo ĐK về việc ứng dụng công nghệ tiên tiến nano trong chế tạo siêu tụ điệnmỗi năm một tăng theo xu thế chung về điều tra và nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện. b. Hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện trong 2 nghành nghề dịch vụ có lượng sáng chếđăng ký nhiều nhất là : Hệ thống cung ứng / phân phối nguồn năng lượng điện ; và Cungcấp điện năng cho các trang bị phụ của phương tiện đi lại vận tải đường bộ như : phanh điện, mơtơđiện, v.v. Trong đó, hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện trong nghành nghề dịch vụ cungcấp / phân phối nguồn năng lượng điện có khoảng chừng 675 sáng tạo ĐK, đơn cử tronghướng điều tra và nghiên cứu này, các sáng tạo ĐK nghiên cứu và điều tra về các thiết bị nạp, phóngđiện, xạc điện cho pin, ắc quy, các thiết bị cung ứng điện áp cao, các thiết bị nguồn. Xét các hướng điều tra và nghiên cứu của sáng tạo ĐK tại 5 vương quốc đứng vị trí số 1 vềlượng sáng tạo trong 4 năm từ 2012 – năm ngoái là những năm có nhiều sáng tạo đăng kýnhất, nhận thấy : – Tại hầu hết 5 vương quốc Trung Quốc, Mỹ, Nhật, Nước Hàn và Đài Loan, tronggiai đoạn từ năm 2012 – năm ngoái các sáng tạo ĐK đều tập trung chuyên sâu hướng nghiên cứuchế tạo siêu tụ điện, hướng nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện chiếm tỷ suất cịn tươngđối ít. – Tại Trung Quốc và Mỹ, các sáng tạo ĐK tập trung chuyên sâu theo hướng nghiêncứu chế tạo siêu tụ điện sử dụng cơng nghệ hóa vơ cơ và nano. – Tại Nhật, Nước Hàn và Đài Loan, các sáng tạo ĐK tập trung chuyên sâu theo hướngnghiên cứu chế tạo siêu tụ điện sử dụng cơng nghệ hóa vơ cơ. Hình 6 : Các hướng nghiên cứu và điều tra của sáng tạo ĐK về siêu tụ điệntại 5 vương quốc đứng vị trí số 1 về lượng sáng tạo trong quá trình từ năm 2012 – 2015K ẾT LUẬN : Tình hình ĐK sáng tạo về điều tra và nghiên cứu siêu tụ điện trên quốc tế đang đượcphát triển can đảm và mạnh mẽ trong 5 năm gần đây đặc biệt quan trọng là tại Trung Quốc. Hầu hết cácsáng chế ĐK tại Trung Quốc đều tập trung chuyên sâu theo hướng điều tra và nghiên cứu chế tạo siêutụ điện bằng công nghệ hóa vơ cơ và nano. – 13 – 4. Giới thiệu một số ít sáng tạo : Tại Nước Ta, ngày 02/07/2012 có 1 sáng tạo của Pháp nộp đơn tại ViệtNam có số đơn là VN20134154A, số đơn ưu tiên nộp tại Pháp là FR20112075Avào ngày 01/07/2011. Sáng chế đề cập đến bộ thu dòng để sử dụng trong việc tiếnhành điện cực cho mạng lưới hệ thống tàng trữ nguồn năng lượng điện, tức là siêu tụ điện. Bộ thu cólớp dẫn điện che chắn, trong đó khối lượng của chất khô của ma trận copolymertrong lớp dẫn điện che chắn xê dịch từ 30 đến 85 %. Tỷ lệ khối lượng chất khôcủa chất dẫn điện trong lớp dẫn điện che chắn giao động từ 15 đến 70 %, và tỷ trọngtrọng lượng của chất kết dính rắn đạt được tổng số 100 % trong lớp dẫn điện chechắn, do đó độ bền cao và tính dẫn điện của điện cực dẫn điện hoàn toàn có thể được tối ưuhóa. Các chất lót dẫn được chọn từ các ống nano cacbon đen, than chì và / hoặccacbon. Phương pháp sản xuất thiết bị siêu tụ điện size micro cơng nghệnano dựa trên cấu trúc đa cực polyaniline được tương hỗ grapheneCN104637694 ( A ) Ngày nộp đơn : 03/02/2015 Sáng chế đề cập đến vật tư điện cực gồm : – Vàng : là một bộ thu làm lớp tiên phong của vật tư điện cực, có độ dày10-20 nanomet ; – Graphene xốp : được gắn vào lớp vàng, là lớp thứ hai của vật tư điệncực, có độ dày từ 20-40 nanomet ; – Polyaniline : được phủ trên graphene xốp và là lớp mặt phẳng của vật liệuđiện cực, có độ dày từ 20-40 nanomet. Thiết bị siêu tụ điện này có năng lực tàng trữ nguồn năng lượng lớn, bảo vệ dẫnđiện cao, do đó cơng suất và tỷ lệ nguồn năng lượng của siêu tụ điện tăng lên. Phương pháp sản xuất siêu tụ điện sử dụng hợp chất graphene ba chiềulàm vật tư điện cựcUS2015340170 ( A1 ) Ngày nộp đơn : 04/02/2015 Hợp chất graphene ba chiều làm vật tư điện cực, gồm có : – Một sắt kẽm kim loại chuyển tiếp hydroxit dạng nano – Một oxit sắt kẽm kim loại chuyển tiếp – một polymer dẫn điện được hấp phụ lên mặt phẳng của bọt graphene bachiều – 14 – Siêu tụ điện đạt được hiệu suất tĩnh điện tăng cường và tỷ lệ năng lượngcao bằng cách sử dụng cấu trúc nhựa tạo bọt tạo ra từ một khung graphene mỏng mảnh đểđạt được khối lượng nhẹ và cũng có hiệu suất cao lưu giữ cấu trúc nano Phương pháp và mạng lưới hệ thống hồi sinh nguồn năng lượng tàng trữ phanh củađường sắt đô thị dựa trên siêu tụ điệnCN104802646 ( A ) Ngày nộp đơn : 20/04/2015 Phương pháp gồm có các bước sau để liên kết lưới điện trực tiếp của đườngsắt đô thị trải qua một bộ phận cắt ( chopping unit ) và một bộ phận siêu tụ, trongđó : – bộ phận cắt gồm có hai mô-đun cắt hai chiều được nối tiếp nhau hoặcsong tuy nhiên ; – hai mô-đun cắt hai chiều được liên kết trực tiếp vào lưới điện và siêu tụ, trấn áp việc sạc và xả của bộ phận siêu tụ. Đặc điểm của sáng tạo này là hồi sinh và phân phối lại nguồn năng lượng phanh củađường sắt đô thị và mạng lưới hệ thống trên cũng hoàn toàn có thể được vận dụng cho các mạng lướiđường trục dịng điện 1500V / 750V. Phương pháp kiểm sốt điện áp cao siêu tụ điệnCN104901360 ( A ) Ngày nộp đơn : 15/05/2015 Phương pháp trấn áp xác lập số lượng các siêu tụ trong một mạng lưới hệ thống ngânhàng siêu tụ điện theo nguyên tắc là điện áp cao nhất. Kiểm soát điện áp đầu ra củangân hàng siêu tụ theo nguyên tắc cộng hưởng được cho phép điện áp của siêu tụ điện đạtgấp đôi điện áp vào Thời gian cộng hưởng Bộ trấn áp nguồn năng lượng cho siêu tụ điệnUS2015311840 ( A1 ) Ngày nộp đơn : 06/07/2015 Bộ trấn áp nguồn năng lượng gồm : C1 : siêu tụ điện – 15 – C2 : tụ lọcR1 : điện trở đầu raR2 : điện trở mẫuH : động cơQ : ống chuyển mạchA : thiết bị báoW : thiết bị không thay đổi điện ápD : diode bánh vịngK : cơng tắcCác siêu tụ, động cơ, các ống chuyển mạch và điện trở mẫu được liên kết theochuỗi để tạo thành một mạch chính. Đầu ra của tín hiệu được liên kết với điện cựckích hoạt của ống chuyển mạch qua điện trở đầu ra. Thiết bị báo được liên kết vớiđiện trở mẫu. Điện trở mẫu được liên kết song song với tụ lọc. Động cơ được kếtnối song song với diode bánh xe. Đầu Vcc của thiết bị báo được nối với siêu tụ quathiết bị không thay đổi điện áp. Điểm cuối của thiết bị báo được liên kết với GND và thôngqua công tắcMục tiêu của sáng tạo là phân phối bộ trấn áp nguồn năng lượng cho các siêu tụ, được cho phép động cơ được trang bị hoàn toàn có thể hoạt động giải trí trơn tru và không thay đổi trong điều kiệncó thể kiểm soát và điều chỉnh được – 16 – III. GIỚI THIỆU SIÊU TỤ ĐIỆN CÔNG NGHỆ NANO MỚI PHÁTTRIỂN TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI – BAN QUẢN LÝKHU CÔNG NGHỆ CAO TP Hồ Chí Minh 1. Giới thiệu siêu tụ điện dẻo công nghệ tiên tiến NanoNhu cầu thay thế sửa chữa pin truyền thống lịch sử trong các thiết bị điện tử cầm tay hoặc đeotrên người mà đặc biệt quan trọng là các thiết bị mềm dẻo đã thôi thúc can đảm và mạnh mẽ các nghiêncứu về siêu tụ dẻo [ 19, 20 ]. Nhóm tác giả mà đứng vị trí số 1 là Giáo sư Munir Nayfeh đãchế tạo siêu tụ dẻo dựa trên điện cực là composite CNT – polyaniline và chất điệngiải dẻo polyvinyl alcohol ( PVA ), đạt tỷ lệ hiệu suất từ 0.004 đến 0.2 kW Kg-1và tỷ lệ nguồn năng lượng từ 0.3 đến 0.6 Wh Kg-1 [ 7,8 ]. Kết quả này khá nhã nhặn dosử dụng chiêu thức chế tạo đơn thuần là trộn composite và quét lên mặt phẳng chấtđiện giải dẻo PVA. Cũng từ các vật tư này, nhóm tác giả từ ĐH Thanh Hoachế tạo điện cực cho hiệu quả tốt hơn bằng cách chế tạo polymer PANI trực tiếp trênmạng CNTs thơng qua q trình điện hóa [ 17 ]. Để cải tổ hơn nữa năng lực dựtrữ điện của vật tư điện cực, ta hoàn toàn có thể tích hợp thêm các hạt nano Silic vì loại vậtliệu này đã được chứng tỏ là có năng lực tàng trữ nguồn năng lượng rất lớn trong cơngnghệ pin Lithium. Nhóm tác giả của Giáo sư Munir Nayfeh cũng đã chứng minhgiả thuyết này bằng giải pháp đơn thuần là trộn nano Si với polyaniline dướidạng dung dịch phân tán. Composite được tạo ra làm điện cực có điện dung cao gấp5 lần điện cực làm từ polyaniline thuần túy. Vì thế nếu hoàn toàn có thể tích hợp các hạt nanoSilic và PANI trực tiếp trên mạng CNT dựa trên quy trình điện hóa thì hoàn toàn có thể đạtkết quả cao hơn so với tác dụng tụ điện của hai nhóm trên. Trong đề tài này, siêu tụđiện dẻo có hiệu năng cao sẽ được chế tạo trên cơ sở hệ composite nano Si, PANIvà CNTs. Cơng nghệ điện hóa sẽ được sử dụng để tổng hợp hệ vật tư và so sánhvới chiêu thức khuấy trộn – quét mà nhóm giáo sử Nayfeh đã thực thi. Ngoài nano Silic, V2O5 cũng là vật tư tiềm năng để và lắng đọng lên màng xốpCNTs-PANI. V2O5 đã được điều tra và nghiên cứu và sử dụng cho tụ điện theo chính sách giả điệndung từ lâu [ 21-37 ] và cũng là vật tư được ưa thích để chứa ion Li + cho pin [ 2834 ]. Ngồi giá tiền thấp, Vanadium có dải hóa trị rộng và khối lượng phân tử nhỏlàm cho tỷ lệ tàng trữ điện dung rất cao. Tuy nhiên thử thách lớn nhất đối vớiV2O5 là tuổi thọ phóng nạp và năng lực dẫn điện thấp. Do điện tích chỉ hoàn toàn có thể chứatrong một lớp mỏng dính trên mặt phẳng của lớp oxit nên để làm cho vật tư có hiệu quảcao hơn thì oxit này cần được chế tạo để có mặt phẳng riêng cao và cần được dựa trêncác vật tư dẫn điện tốt, ví dụ điển hình như mạng lưới CNTs-PANI. Để thương mạihóa siêu tụ dựa trên nền tảng V2O5, thì chu kỳ luân hồi phóng nạp của vật tư này cần đượccải thiện. Một nghiên cứu và điều tra gần đây đã chứng tỏ rằng chất điện giải làm từpolymer hoàn toàn có thể cải tổ rất tốt tuổi thọ phóng nạp của V2O5 [ 35 ]. Do đó siêu tụ dẻolàm từ mạng composite CNTs-PANI – V2O5 và chất điện giải dẻo PVA được mongđợi không chỉ có tỷ lệ nguồn năng lượng và tỷ lệ cơng suất cao mà cịn có tuổi thọdài. – 17 – 2. Kết quả kiểm tra loại sản phẩm siêu tụ điện công nghệ tiên tiến nano so với các sảnphẩm thương mại trên thị trường hiện nay2. 1 Hình ảnh siêu tụ điệnẢnh chụp mẫu stack siêu tụ điện ghép lưỡng cực, với size chưa thu gọn : 12 cm2 và số lớp đơn tụ là 3 lớp được bộc lộ trên hình 7. Trên hình, đèn LEDxanh dương với điện áp chiếu sáng khoảng chừng 3V đã được siêu tụ điện nạp đầy chiếusáng. Điều này chứng tỏ điện áp của tụ điện được nạp vượt quá 3V. Hình 7 : Hình ảnh stack siêu tụ điện ghép bipolar 3 lớp2. 2 Kiểm tra điện dung và điện ápĐể kiểm tra các đặc thù điện hóa như điện dung, điện áp thao tác, phản ứngoxi hóa khử, phép đo quét thế vòng là chiêu thức hữu hiệu để nhìn nhận. Đườngcong quét thế vòng ở 10 mV / s, từ – 3 V đến 3 V của stack siệu tụ được biểu lộ trênhình 8. Dịng điện trung bình khi nạp / xả tụ điện là ~ 34 mA. Do đó, điện dung trungbình ( C = I / s ) đạt khoảng chừng 3,4 F. Trong vùng phóng nạp – 3V đến 3V, khơng có sựđột biến của dịng điện, chứng tỏ điện áp thao tác của tụ đạt hơn 3V. Phần đuôicong lên ở gần 3 V và cong xuống ở gần – 3 V hoàn toàn có thể là do ảnh hưởng tác động của dòng rò. – 18 – Hình 8 : Đặc trưng CV ở vận tốc quét 10 mV / s của stack siêu tụ2. 3 Kiểm tra tuổi thọ nạp xảĐiện dung của pin, ắc quy thường bị giảm dần theo số lần phóng nạp. Siêu tụđiện cũng có hiện tượng kỳ lạ như vậy, mặc dầu sự suy giảm nhỏ hơn rất nhiều. Để kiểmtra điều này, stack siêu tụ điện được nạp xả với vận tốc cao ( 100 mV / s ) trong 500 vòng và đồ thị dòng điện với thời hạn được bộc lộ như trên hình 9. Điện dungcủa siêu tụ tỷ suất với dịng điện. Từ đồ thị, ta hoàn toàn có thể thấy đ iện dung giữ được 82 % sau 500 vòng nạp xả. Sự suy giảm này đa phần là do các phản ứng bất thuận nghịchthường xảy ra ở các chu kỳ luân hồi đầu phóng nạp. Càng về sau, sự suy giảm càng nhỏ dần. Sự suy giảm cũng hoàn toàn có thể do các tạp chất trong dung dịch sau 1 thời hạn, lắng đọngtrên mặt phẳng điện cực, làm giảm năng lực tích trữ điện tích của vật tư điện cực. Ngồi ra, sự thối hóa vật liệu điện cực cũng là ngun nhân quan trọng của vấn đềnày. Để nâng cấp cải tiến các yếu tố này, trong tiến trình chế tạo, các nguyên vật liệu đượcxử lý thật sạch, cẩn trọng và tránh làm ăn mịn thối hóa điện cực dẫn, tuổi thọ củasiêu tụ đã tăng lên đáng kể như ở hình 9, khi phóng nạp 1560 lần, nhưng vẫn giữđược 99 % dịng điện. – 19 – Hình 9 : Đặc trưng dịng điện qt kiểm tra tuổi thọ nạp xả2. 4 Kiểm tra lưu giữ điện áp trong 1 ngàyĐể kiểm tra năng lực giữ điện áp, stack siêu tụ được nạp đến 3V và giữ trong20 phút. Sự biến thiên điện áp trong 1 ngày trong điều kiện kèm theo khơng tải được thể hiệntrên hình 10. Sau khi ngừng nạp, điện áp giữ được vào khoảng chừng 2,8 V và sụt giảmdần về 0,6 V trong 1 ngày. Sự suy giảm nhanh khởi đầu là do ảnh hưởng tác động của nội trở. Sự suy giảm về sau do dòng rò và sự phân bổ lại điện tích bên trong điện cực siêutụ điện. – 20 – Hình 10 : Sự sụt điện áp của stack siêu tụ do hiện tượng kỳ lạ tự xả2. 5 Kiểm tra nhiệt độ làm việcKhi giảm nhiệt độ về 0 °C bằng cách nhúng siêu tụ trong túi nilon vào nước đáđang tan, siêu tụ điện có điện áp tàng trữ được cịn cao hơn trong điều kiện kèm theo nhiệt độphịng. Hình 11 biểu lộ điện áp stack siêu tụ đạt được 3,2 V sau khi nạp nhanh đến3, 3 V. Điều này do ở nhiệt độ lạnh, sự khuếch tán của các ion nhỏ hơn, dẫn tới sựrị rỉ điện tích thơng qua lớp mặt phẳng tiếp xúc của điện cực và chất điện giải nhỏ hơn. Và do đó, siêu tụ điện giữ được điện áp cao hơn. Hình 11 : Thí nghiệm kiểm tra nhiệt độ thao tác và kết quả2. 6 Nội trở và mạch điện tương đươngCông suất của siêu tụ là lượng nguồn năng lượng siêu tụ giải phóng / thu nạp đượctrên 1 đơn vị chức năng thời hạn. Cơng suất hoàn toàn có thể biến hóa được và nhờ vào vào tải tiêu thụ ( r ) / nguồn nạp, và được tính bởi cơng thức : – 21 – Trong đó P. là cơng suất, i là dịng điện và u là điện áp ngoài của siêu tụ tronglúc thao tác. Tuy nhiên, hiệu suất của siêu tụ không phải là thông số kỹ thuật vô hạn, kể cả khi chotải tiêu thụ ở mức tối đa ( r tiến tới 0 ) chính bới cơng suất bị số lượng giới hạn bởi điện áp tối đa ( V ) của siêu tụ và nội trở của ( ri ) của nó. Khi r càng nhỏ thì u cũng nhỏ theo. Khi siêu tụ có điện áp tối đa, cơng suất của tụ như sau : Công suất của siêu tụ đạt tối đa khi r = ri. Khi đóCơng suất của siêu tụ càng lớn thì càng hữu dụng vì nhiều ứng dụng cần có cơngsuất cao như khởi động động cơ, không thay đổi mạng lưới điện, đóng mở / xoay chuyểncác thiết bị, cửa thốt hiểm … Để nhìn nhận hiệu suất tối đa siêu tụ, nhất thiết phải đo được nội trở ri của nó. Phương pháp đo phổ tổng trở được sử dụng để đo ri và khảo sát các đặc tínhđiện / điện hóa của siêu tụ. Phổ tổng trở dạng Nyquist của 1 stack ghép lưỡng cực được bộc lộ như trênHình 12. Đường phổ là hiệu quả của phép đo điện trở thực và ảo của tụ điện ở cáctần số khác nhau từ 10.000 Hz đến 100 mHz, với điện áp giao động + / – 10 mV xungquanh giá trị điện áp hở mạch. Phần ảo là biểu lộ dung kháng của tụ, trong khiphần thực là điện trở Ohmic. Trên hình ta thấy mở màn là 1 vài điểm ở điện trở ảoâm, tức siêu tụ biểu lộ tính cảm kháng, hoàn toàn có thể do nhiễu ở tần số rất cao. Tiếp đếnlà vòng bán nguyệt, có các điểm đầu và cuối sát trục hồnh, có điện trở thựckhoảng 0,2 Ohm và 0,29 Ohm. Ở tần số ( ω ) cao, dung kháng gần bằng 0 vì : – 22 – Khi đó, tụ điện chỉ cịn thuần túy trở kháng Ohmic ( Rs ), gồm có điện trở củađiện cực, dây dẫn, mối nối và điện trở của ion trong dung dịch điện giải. Để hiểu sựhình thành của vịng bán nguyệt hoàn toàn có thể dựa trên thực chất hai loại điện dung của vậtliệu điện cực thao tác, là điện dung double-layer ( C0 ) và giả điện dung ( Cs ). Điệndung double-layer là điện dung tĩnh điện giữa mặt phẳng vật tư và lớp tiếp xúc điệngiải. Còn giả điện dung song song với điện dung double-layer, sinh ra là do phảnứng oxi hóa khử giữa vật tư điện cực và dung dịch điện giải. Phản ứng oxi hóakhử sẽ kèm theo 1 điện trở Faradaic trao đổi điện tích ( Rct ) tiếp nối đuôi nhau. Như vậy hoàn toàn có thể tưởng tượng mạch điện tương tự gồm điện trở Rs nối nốitiếp với 1 cụm 2 mạch song song là C0 và ( Cs tiếp nối đuôi nhau với Rct ). Cần phải xem xétthêm, khi siêu tụ đặt dưới 1 dao động điện thì tạo ra 1 dạng sóng các lớp hạt tíchđiện trong dung dịch, và trong điện cực thao tác. Do đó thành phần ( Cs tiếp nối đuôi nhau vớiRct ) hoàn toàn có thể được màn biểu diễn bởi cấu trúc Warburg Circuit ( Wo ) như trên hình 13. Từmạch tương tự, hoàn toàn có thể chuẩn hóa mơ hình, tính ra các thơng số vật lý, hóa họccủa siêu tụ điện bằng ứng dụng Zview. Trong trường hợp siêu tụ ở hình 13 a, điểmgiao sát trục hồnh của vịng bán nguyệt tại điện trở Ohmic 0,2 và 0,29 Ohm chínhlà Rs và Rs + Rct. Do đó nội trở ( Rs + Rct ) của siêu tụ đạt là 0,29 Ohm. Hình 12 : Phổ tổng trở của siêu tụ – 23 – Hình 13 : Phổ tổng trở và mơ hình mạch điện tương đương2. 7 So sánh các thông số kỹ thuật Stack bipolar 3 tụNhư ở phần trên đã trình diễn, khi đo đạc được nội trở ri = Rs + Rct của siêu tụđiện, ta hoàn toàn có thể tính được cơng suất riêng cực lớn của siêu tụ : Các thông số kỹ thuật của stack siêu tụ như sau : • Khối lượng m = 4.8 g • Điện dung C = 3,6 F • Kích thước : 3×4 cm2 • Nội trở : ri = 0.29 ohm • Vmax = ~ 3.3 VMật độ nguồn năng lượng và cơng suất tính được như sau : • Pmax = 2,33 kW / kg • Emax = 1.35 Wh / kg – 24 – Hình 14 : Giản đồ Ragon so sánh các thơng số nguồn năng lượng và cơng suấtTrong giản đồ Ragone ( hình 14 ) hoàn toàn có thể thấy rằng các siêu tụ điện chiếm một vịtrí quan trọng về mặt nguồn năng lượng và cơng suất. Hiện nay việc tàng trữ nguồn năng lượng làmột vần đề rất là thiết yếu và điều này được phân phối bởi các siêu tụ điện do cómật độ cơng suất cao và tỷ lệ nguồn năng lượng lớn. Ngoài ra, các stack siêu tụ có thểhoạt động trong một khoanh vùng phạm vi rộng của nhiệt độ và có tuổi thọ nạp xả dài cũng làđiểm điển hình nổi bật cho các ứng dụng lúc bấy giờ. Các tụ điện hóa học ( electrochemicalcapacitor, EC ) thương mại lúc bấy giờ khơng có tỷ lệ nguồn năng lượng lớn như của pin, để phân phối cho các thiết bị có khối lượng từ 5 đến 10 kg. Tuy nhiên, tỷ lệ côngsuất của EC lại vượt xa so với pin, với năng lực sạc và xả nguồn năng lượng tích trữ trongvài giây và có tuổi thọ lên đến hơn 106 chu kỳ luân hồi nạp xả trong khoanh vùng phạm vi nhiệt độ làmviệc rộng, phân phối các tiêu chuẩn về thiên nhiên và môi trường và các thiết bị này cũng hoàn toàn có thể táichế. KẾT LUẬN : Tóm lại, nhóm điều tra và nghiên cứu đã đạt được quy trình tiến độ chế tạo điện cực compositevới 3 thành phần CNT / Nano Si / PANI với điện dung cao nhất là 612.7 F / g vàCNT / PANi / V2O5 là 415 F / g cao hơn so với điện dung điện cực đã ĐK từ 200 – 350 F / gCác mẫu tế bào siêu tụ dẻo với tính năng tiêu biểu vượt trội về tỷ lệ nguồn năng lượng vàcông suất. Các loại sản phẩm này sẽ là cơ sở để tiến tới ghép nối chế tạo bộ siêu tụ hoànchỉnh cho các thiết bị điện tử dẻo, mang trên người. – 25 –
