Các nhà nghiên cứu tại Đại học Penn State, Hoa Kỳ, vừa phát triển loại tụ điện polymer mới, chịu nhiệt độ cao, có thể lưu trữ năng lượng gấp 4 lần so với các tụ điện thông thường, trong khi hoạt động ở nhiệt độ lên đến khoảng 250°C.
Bước tiến này có thể cải thiện hệ thống điện trong xe điện, trung tâm dữ liệu và các môi trường nhiệt độ cao, nơi các tụ điện hiện nay nhanh chóng suy giảm. Tụ điện polymer được chế tạo để giải phóng năng lượng nhanh chóng chứ không phải để lưu trữ năng lượng lâu dài.
Khác với pin, giải phóng năng lượng từ từ thông qua các phản ứng hóa học, tụ điện sạc và xả nhanh chóng. Chúng ổn định điện áp, hỗ trợ thiết bị điện tử và cung cấp các xung điện đột ngột, chẳng hạn như trong đèn flash máy ảnh hoặc máy khử rung tim y tế.
Tuy nhiên, hầu hết tụ điện polymer thương mại bắt đầu bị xuống cấp ở nhiệt độ cao, khoảng 100°C. Ở nhiệt độ cao, sự rò rỉ điện tích tăng lên, làm suy giảm hiệu suất, hạn chế việc sử dụng chúng trong môi trường khắc nghiệt.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Penn State giải quyết vấn đề này, bằng cách pha trộn hai loại polymer chịu nhiệt cao, là PEI và PBPDA. Thay vì trộn lẫn hoàn toàn, các vật liệu vẫn không hòa tan hoàn toàn lẫn nhau, tạo thành các giao diện ba chiều ở cấp độ nano.
Sự kết hợp này tạo ra hợp kim polymer tự lắp ráp trong cấu trúc nano ổn định. Kết quả thu được là một vật liệu điện môi có hằng số điện môi là 13,5, so với giá trị dưới bốn của từng thành phần riêng lẻ.
Hình ảnh hiển vi và mô hình tính toán cho thấy, các giao diện tự lắp ráp hoạt động như rào cản ngăn chặn sự rò rỉ điện tích. Điều này cho phép vật liệu đạt được cả mật độ năng lượng cao và khả năng chịu nhiệt cao, sự kết hợp mà trước đây rất khó đạt được trong một loại polymer điện môi duy nhất.
Đáng chú ý hơn nữa, vật liệu này duy trì hiệu suất trong phạm vi nhiệt độ từ -100 độ C đến 250 độ C. Vật liệu này có thể cho phép các thiết bị tăng công suất gấp 4 lần trong cùng một kích thước, hoặc thu nhỏ xuống còn một phần tư kích thước hiện tại mà không làm giảm hiệu suất.
Sự đánh đổi đó rất quan trọng đối với các thiết bị điện tử nhỏ gọn, hệ thống truyền động điện và hệ thống lưới điện thế hệ tiếp theo. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng cả hai vật liệu này đều không đắt tiền, có sẵn trên thị trường và đã được sử dụng rộng rãi.
Việc sản xuất các vật liệu này yêu cầu một quy trình xử lý đơn giản, điều này có thể giúp dễ dàng mở rộng quy mô. Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế và đang nỗ lực thương mại hóa công nghệ này. Công trình nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature.
