VẬT LIỆU TIÊN TIẾN CHO SIÊU TỤ ĐIỆN: TIỀM NĂNG VÀ THÁCH THỨC THƯƠNG MẠI HÓA
Siêu tụ điện (supercapacitors) đang được xem là một trong những giải pháp lưu trữ năng lượng quan trọng nhờ khả năng sạc/xả nhanh, tuổi thọ cao và công suất vượt trội. Tuy nhiên, khoảng cách giữa hiệu suất đạt được trong phòng thí nghiệm và khả năng ứng dụng thực tế vẫn còn rất lớn.
Nguyên lý hoạt động và phân loại siêu tụ điện
Siêu tụ điện lưu trữ năng lượng thông qua hai cơ chế chính. Một là tụ điện lớp kép (electric double-layer capacitor – EDLC), trong đó năng lượng được tích trữ nhờ sự hình thành lớp điện tích tại bề mặt phân cách giữa điện cực và chất điện phân. Các vật liệu carbon thường được sử dụng cho EDLC nhờ khả năng dẫn điện tốt và diện tích bề mặt lớn, mang lại công suất cao nhưng mật độ năng lượng còn hạn chế. Cơ chế còn lại là giả tụ điện (pseudocapacitance), trong đó quá trình lưu trữ năng lượng diễn ra thông qua các phản ứng oxy hóa – khử nhanh tại bề mặt điện cực. Việc sử dụng các vật liệu như oxit kim loại hoặc polymer dẫn điện giúp cải thiện đáng kể mật độ năng lượng so với EDLC. Trên cơ sở hai cơ chế này, xu hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào các hệ siêu tụ điện lai ghép (hybrid), kết hợp điện cực carbon và oxit kim loại nhằm đồng thời đạt được công suất cao và mật độ năng lượng lớn.
Các vật liệu chính cho siêu tụ điện
Về điện cực, carbon vẫn là lựa chọn thương mại phổ biến nhờ giá rẻ và diện tích bề mặt lớn, nhưng hạn chế về khả năng tiếp cận ion trong cấu trúc lỗ xốp. Các vật liệu mới như graphene và ống nano carbon (CNT) có độ dẫn điện tốt hơn nhưng giá thành cao và khó sản xuất quy mô lớn. Oxit kim loại chuyển tiếp như RuO₂ cho hiệu suất cao nhưng chi phí quá cao, trong khi MnO₂ là lựa chọn kinh tế hơn nhưng độ dẫn điện thấp. Polymer dẫn điện có mật độ năng lượng cao nhưng vòng đời ngắn do hiện tượng biến dạng trong quá trình sạc/xả.
Đối với chất điện phân, chất điện phân hữu cơ được sử dụng phổ biến trong thương mại vì cho phép điện áp cao (2.5–2.8 V), giúp tăng mật độ năng lượng, nhưng độc hại và dễ cháy. Ngược lại, chất điện phân nước có ưu điểm về độ an toàn, chi phí thấp và độ dẫn ion cao với sự hiện diện của các ion hòa tan, tuy nhiên bị giới hạn bởi cửa sổ điện hóa (electrochemical window) hẹp (~1.23 V) do quá trình điện phân nước. Gần đây, hệ chất điện phân “water-in-salt” đã được phát triển, trong đó nồng độ muối rất cao làm giảm hoạt độ của nước, cho phép mở rộng cửa sổ điện áp lên đến 3 V.
Thách thức trong việc chuyển giao công nghệ từ phòng thí nghiệm sang quy mô công nghiệp
Mặc dù có nhiều vật liệu đạt được hiệu suất ấn tượng trong các nghiên cứu, việc thương mại hóa vẫn gặp nhiều thách thức. Các cách tính hiệu suất thường chưa gần với điều kiện thực tế, và trong các thí nghiệm thường chỉ tính khối lượng vật liệu hoạt tính, bỏ qua các thành phần khác như vỏ, chất kết dính, bộ thu dòng, dẫn đến hiệu suất thực tế thấp hơn nhiều. Hơn nữa, với khối lượng vật liệu quá thấp, hiệu suất cao thường đạt được với lượng vật liệu nhỏ (<5 mg/cm²), nhưng khi tăng lên mức thương mại (10 mg/cm²) thì hiệu suất thường giảm mạnh. Trong khi việc sản xuất trong công nghiệp ưu tiên quy trình sản xuất đơn giản, nhiều vật liệu tiên tiến đòi hỏi tổng hợp nhiều bước, tốn thời gian và năng lượng. Cuối cùng, chi phí vẫn là một rào cản lớn do các vật liệu như graphene chất lượng cao hoặc RuO₂ có giá thành cao.
Giải pháp và định hướng tương lai
Để thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu và ứng dụng, cần tiêu chuẩn hóa các quy trình đánh giá hiệu suất nhằm bảo đảm khả năng so sánh giữa các nghiên cứu, đồng thời đơn giản hóa quy trình tổng hợp để giảm chi phí sản xuất. Song song với đó, việc phát triển vật liệu cấu trúc lai và chất điện phân mới là hướng đi quan trọng nhằm nâng cao mật độ năng lượng mà đảm bảo duy trì công suất cao. Mặc dù siêu tụ điện có tiềm năng lớn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, quá trình thương mại hóa chỉ có thể đạt được khi các tiến bộ về vật liệu được kết hợp với tối ưu hóa quy trình sản xuất và hệ thống tiêu chuẩn đánh giá rõ ràng. Đây không chỉ là bài toán công nghệ, mà còn là thách thức về kinh tế và tính khả thi trong ứng dụng thực tế.
(Nguồn: Chemical Engineering Journal, 374, 1153–1179)
