Siêu tụ điện là gì? Các công bố khoa học về Siêu tụ điện

Graphit oxit được cắt tỉa bằng vi sóng đã được kích hoạt kết hợp với dung dịch ion có thể được sử dụng để chế tạo tụ điện hiệu suất cao.

Cuộn điện hóa có thể cung cấp một lượng lớn năng lượng một cách nhanh chóng, nhưng có giới hạn về lưu trữ năng lượng do chỉ có các vùng bề mặt của các điện cực mới có thể lưu trữ điện tích. Graphene đại diện cho một lựa chọn thay thế cho các điện cực than hoạt tính nhờ vào độ dẫn điện và diện tích bề mặt cao của nó, tuy nhiên các tấm graphene có xu hướng tái kết hợp và mất đi diện tích bề mặt. El-Kady và cộng sự. (trang 1326; xem bài Quan Điểm của Miller) cho thấy rằng các tấm biến đổi oxit graphite có thể được chuyển đổi bằng phần xạ laser hồng ngoại thành các tấm graphene xốp có tính linh hoạt, bền bỉ và dẫn điện cao.

Trong những năm gần đây, nhiều nỗ lực nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tăng cường mật độ năng lượng của siêu tụ điện mà không làm giảm khả năng cung cấp công suất cao, để đạt được các mức giống như trong pin và giảm chi phí sản xuất. Để làm được điều này, hai vấn đề quan trọng cần được giải quyết: đầu tiên, cần phát triển các phương pháp thiết kế vật liệu điện cực hiệu suất cao cho siêu tụ điện; thứ hai, cần phải đạt được khả năng lắp ráp các loại siêu tụ điện theo cách có kiểm soát (chẳng hạn như các tụ điện đối xứng bao gồm tụ điện lớp đôi và tụ điện giả, tụ điện không đối xứng và tụ điện Li-ion). Sự phát triển bùng nổ của nghiên cứu trong lĩnh vực này làm cho bài đánh giá này trở nên kịp thời. Những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu và phát triển vật liệu điện cực hiệu suất cao và siêu tụ điện năng lượng cao được tóm tắt. Nhiều vấn đề chính để cải thiện mật độ năng lượng của siêu tụ điện và một số mối quan hệ tồn tại giữa các thông số ảnh hưởng khác nhau được xem xét, và các thách thức và triển vọng trong lĩnh vực đầy thú vị này cũng được thảo luận. Điều này mang đến cái nhìn cơ bản về siêu tụ điện và cung cấp một hướng dẫn quan trọng cho thiết kế tương lai của các siêu tụ điện thế hệ tiếp theo tiên tiến cho các ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng.

Nickel hydroxide dạng hoa phân cấp trang trí trên các tấm graphene đã được chuẩn bị bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng đơn giản và tiết kiệm chi phí. Để đạt được mật độ năng lượng và công suất cao, một siêu tụ điện đối xứng áp lực cao đã được chế tạo thành công bằng cách sử dụng Ni(OH)₂/graphene và graphene xốp làm điện cực dương và âm, tương ứng. Nhờ vào cấu trúc độc đáo của chúng, cả hai vật liệu này đều thể hiện hiệu suất điện hóa xuất sắc. Siêu tụ điện đối xứng tối ưu có thể được sạc lại trong vùng áp lực cao từ 0–1.6 V và thể hiện các hiệu suất thú vị với điện dung riêng tối đa đạt 218.4 F g⁻¹ và mức năng lượng cao đạt 77.8 Wh kg⁻¹. Hơn nữa, thiết bị siêu tụ điện Ni(OH)₂/graphene//graphene xốp cho thấy tuổi thọ chu kỳ dài tuyệt vời với 94.3% điện dung riêng được giữ lại sau 3000 chu kỳ. Những hiệu suất hấp dẫn này có thể được quy cho điện dung cao và các tác động tương hỗ tích cực của hai điện cực. Những kết quả ấn tượng được trình bày ở đây có thể mở đường cho các ứng dụng đầy hứa hẹn trong các hệ thống lưu trữ mật độ năng lượng cao.

Siêu tụ điện không đối xứng với mật độ năng lượng cao đã được phát triển thành công bằng cách sử dụng hợp chất graphene/MnO₂ làm điện cực dương và sợi nano carbon hoạt hóa (ACN) làm điện cực âm trong dung dịch điện phân Na₂SO₄ trung hòa. Nhờ vào khả năng tích trữ điện cao và hiệu suất tuyệt vời của graphene/MnO₂ và ACN, cùng với các hiệu ứng tương hỗ của hai điện cực, tế bào không đối xứng này thể hiện hiệu suất điện hóa học vượt trội. Siêu tụ điện không đối xứng tối ưu có thể được chu kỳ hóa theo cách có thể đảo ngược trong khoảng điện áp từ 0–1.8 V, và thể hiện mật độ năng lượng tối đa là 51.1 Wh kg⁻¹, cao hơn nhiều so với tế bào MnO₂//DWNT (29.1 Wh kg⁻¹). Thêm vào đó, siêu tụ điện không đối xứng graphene/MnO₂//ACN thể hiện độ bền chu kỳ tuyệt vời, với 97% điện dung riêng được giữ lại ngay cả sau 1000 chu kỳ. Những kết quả khả quan này cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng với mật độ năng lượng và công suất cao cho các ứng dụng thực tiễn.

Các vật liệu tự nhiên dựa trên gỗ được sử dụng trực tiếp để chế tạo siêu tụ điện cấu trúc hoàn toàn bằng gỗ, siêu dày với điện dung và mật độ năng lượng siêu cao.

Một hydrogel dẫn điện trên cơ sở polypyrrole xốp với cấu trúc có thể điều chỉnh bằng phương pháp hóa học và đặc tính điện hóa đã được phát triển để ứng dụng cho các siêu tụ điện trạng thái rắn có tính linh hoạt cao.

Mặc dù polypyrrole (PPy) được sử dụng rộng rãi trong tụ điện siêu dẻo linh hoạt nhờ vào tính hoạt động điện hóa cao và độ dẻo nội tại, nhưng dung lượng hạn chế và độ ổn định chu kỳ của màng PPy tự lập đứng làm giảm đáng kể tính thực tiễn của chúng trong các ứng dụng thực tế. Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo một tiếp cận mới để tăng cường dung lượng và độ ổn định chu kỳ của PPy bằng cách tạo ra một màng lai tự lập đứng và dẫn điện thông qua việc nhúng PPy vào Ti₃C₂ tầng (l‐Ti₃C₂, một vật liệu MXene). Dung lượng tăng từ 150 (300) đến 203 mF cm⁻² (406 F cm⁻³). Hơn nữa, khả năng giữ dung lượng gần như 100% được đạt được ngay cả sau 20 000 chu kỳ sạc/xả. Các phân tích cho thấy l‐Ti₃C₂ ngăn chặn sự xếp chồng dày đặc của PPy một cách hiệu quả, có lợi cho sự thâm nhập của chất điện phân. Hơn nữa, các liên kết mạnh được hình thành giữa các dây PPy và bề mặt của l‐Ti₃C₂, không chỉ đảm bảo độ dẫn tốt và cung cấp các đường dẫn chính xác cho việc vận chuyển điện tích mà còn cải thiện sự ổn định cấu trúc của các dây PPy. Màng PPy/l‐Ti₃C₂ tự lập đứng tiếp tục được sử dụng để chế tạo một siêu tụ điện trạng thái rắn siêu mỏng, cho thấy dung lượng xuất sắc (35 mF cm⁻²), hiệu suất ổn định ở bất kỳ trạng thái uốn và trong 10 000 chu kỳ sạc/xả. Chiến lược mới này cung cấp một cách mới để thiết kế các điện cực dẻo tự lập đứng dựa trên polymer dẫn với hiệu suất điện hóa được cải thiện đáng kể.

Sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử thu nhỏ đã dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng về các nguồn năng lượng vi tích điện có thể sạc lại với hiệu suất cao. Trong số các nguồn khác nhau, siêu tụ điện vi điện hóa hoặc microsupercapacitors cung cấp mật độ công suất cao hơn so với các dạng tương ứng và đang thu hút sự quan tâm ngày càng tăng từ cộng đồng nghiên cứu và kỹ thuật. Cho đến nay, có rất ít công trình nghiên cứu được thực hiện về việc tích hợp microsupercapacitors lên chip hoặc các chất nền linh hoạt. Bài đánh giá này cung cấp cái nhìn tổng quan về nghiên cứu liên quan đến microsupercapacitors, với sự nhấn mạnh đặc biệt vào các điện cực dựa trên graphene tiên tiến nhất và các thiết bị rắn trên cả chất nền linh hoạt và cứng. Những ưu điểm, nhược điểm và hiệu suất của microsupercapacitors dựa trên graphene được tóm tắt và các xu hướng mới trong nguyên liệu, quy trình chế tạo và bao bì được xác định.

Cấu trúc nano phân tầng với bề mặt hoạt động rất mở cho siêu tụ điện pseudocapacitor hiệu suất cao đã thu hút được sự chú ý đáng kể. Trong nghiên cứu này, chúng tôi phát triển một quy trình tăng trưởng một bước của chuỗi dung dịch rắn (Ni_xCo_1−x)₉Se₈ trên nhiều chất nền dẫn điện khác nhau như các điện cực tiên tiến cho siêu tụ điện linh hoạt, gập lại được. Việc hình thành dung dịch rắn (Ni_xCo_1−x)₉Se₈ được xác nhận bằng định luật Vegard. Thú vị là, chuỗi dung dịch rắn (Ni_xCo_1−x)₉Se₈ được tạo ra tự động kết tinh thành các mạng nhiễu xạ nano với hình thái phân tầng và đặc điểm fractal. Các nanodendrite (Ni_0.1Co_0.9)₉Se₈ tối ưu mang lại dung lượng riêng 3762 F g⁻¹ tại mật độ dòng 5 A g⁻¹ và giữ được 94.8% dung lượng ban đầu sau 5000 vòng, nhờ vào lợi thế từ đặc điểm fractal với nhiều bề mặt mở () cũng như khuếch tán ion nhanh. Thiết bị siêu tụ điện linh hoạt (Ni_0.1Co_0.9)₉Se₈@vải sợi carbon (CFC)//PVA/KOH//graphene oxide giảm giá@CFC thể hiện mật độ năng lượng cực cao 17.0 Wh kg⁻¹@ 3.1 kW kg⁻¹, vượt trội hơn so với các siêu tụ điện pseudocapacitor được báo cáo gần đây dựa trên sulfide và selenide nickel-cobalt. Nghiên cứu này cung cấp hướng dẫn hợp lý hướng tới thiết kế đặc điểm fractal với hiệu suất điện hóa vượt trội nhờ vào sự gia tăng đáng kể các điểm hoạt động điện hóa. Thiết bị thu được có thể dễ dàng gập lại, kéo căng và xoắn, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị đeo được và thiết bị công nghệ cao hiệu suất cao.