Cấu trúc graphene mới giúp tạo ra pin dùng lâu hơn

Nhóm các nhà khoa học vật liệu tại Hàn Quốc đã vừa chế tạo thành công các hạt graphene kích thước micro có hình dạng giống như một quả cầu giấy mà các hoạt náo viên hay dùng bằng cách phun các giọt graphene oxide vào một dung môi nóng. Theo họ, kỹ thuật này có thể mang lại một phương pháp đơn giản và linh hoạt hơn để tạo ra các vật liệu làm điện cực cho pin và siêu tụ điện, qua đó có thể cải thiện vấn đề về năng lượng cho nhiều loại thiết bị.

>>> Chế tạo graphene chất lượng cao nhờ hệ thống phun siêu âm

Sở dĩ các nhà khoa học muốn sử dụng graphene trong tụ điện bởi nó được xe là một vật liệu thần kỳ với khả năng dẫn điện cực tốt, độ ổn định cao và có diện tích bề mặt lớn. Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất graphene tiêu chuẩn thường cho ra các tấm graphene mỏng, dính chồng lên nhau làm giảm diện tích bề mặt và khiến vật liệu trở nên khó xử lý hơn.

Để khai thác tính chất dẫn điện và cơ học của vật liệu trong khi vẫn duy trì được diện tích bề mặt lớn, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã thử tạo ra cấu trúc graphene 3 chiều. Đầu tiên là các cấu trúc graphene có dạng bọt hoặc aerogel (một dạng vật liệu tổng hợp siêu nhẹ, xốp có nguồn gốc từ gel trong đó thành phần chất lỏng của gel được thay bằng một loại khí). Tuy nhiên, các cấu trúc này không phù hợp đối với điện cực bởi chúng không đều hoặc quá to, đồng thời có mật độ vật liệu carbon thấp, nhà khoa học vật liệu Sang-Hoon Park tại đại học Yonsei, Seoul, Hàn Quốc cho biết. Phương pháp thứ 2 là tạo ra cấu trúc graphene dạng hình cầu với kích thước nano, micro bằng các khuôn 3D và áp dụng các kỹ thuật như bay hơi lắng đọng hóa học hay làm khô đông lạnh.

Park cùng các cộng sự đã quyết định chọn phương pháp thứ 2 nhưng tùy chỉnh lại. Theo đó thay vì tạo ra các quả cầu graphene rỗng hay trông giống như một cục giấy vò, nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã bắt chước hình dạng quả cầu giấy thường được hoạt náo viên sử dụng. Trong đó mỗi tua giấy chính là một tấm graphene nano tỏa ra từ tâm. Cách sắp xếp này làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt của graphene và tạo ra các kênh nano giúp tăng cường khả năng chuyển đổi điện tích, Park cho biết.

Để thực hiện, nhóm nghiên cứu đã nhỏ graphene oxide dạng huyền phù có chứa nước qua một ngòi phun tốc độ siêu âm và sử dụng sóng âm để phá vỡ dạng huyền phù của graphene thành các giọt siêu nhỏ. Sau đó, các giọt graphene oxide được phun xuống một hỗn hợp dung mỗi hữu cơ nóng 160 độ C và acid ascorbic đóng vai trò là chất khử.

Trong hỗn hợp nóng, graphene oxide biến đổi thành các tấm graphene và kết lại với nhau. Nước trong mỗi giọt bay hơi và thoát khỏi bề mặt mỗi giọt. Park cho biết: "Chúng tôi tin rằng sự bay hơi nhanh chóng của nước đã khiến cho các tấm graphene nano tỏa tròn". Sau cùng, các quả cầu graphene micro có đường kính 5 μm kết tủa khỏi dung dịch và nhóm nghiên cứu chỉ việc lọc để lấy chúng ra.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng chế tạo các hạt graphene độn silicon với thành phần ban đầu gồm các hạt nano silicon huyền phù và graphene oxide. Silicon là một vật liệu rất hứa hẹn để sử dụng làm cực dương trong các pin Li-ion nhờ khả năng lưu trữ điện tích cao nhưng các cực dương làm từ nó thường bị phồng và méo trong quá trình sạc/xả. Do đó, việc bao bọc silicon trong một cấu trúc carbon có thể giải quyết vấn đề này.

Để kiểm tra, nhóm nghiên cứu đã chế tạo các điện cực có kích thước 1cm, 1 loại có thành phần là các quả cầu graphene có dạng tua rua như trên và 1 loại chứa các tấm graphene không qua xử lý. Cả 2 được nhúng vào một chất điện phân acid sulfuric. Kết quả đo được cho thấy điện cực chứa graphene dạng cầu tua rua có điện dung 151 farad/gram trong khi đó điện cực chứa graphene dạng tấm có điện dung 118 farad/gram. Như vậy, cấu trúc 3D của các hạt đã giúp cải thiện hiệu năng, điện dung lớn hơn cho thấy khả năng tích điện của vật liệu lâu hơn.

Điện dung của điện cực bằng graphene dạng hình cầu nói trên có thể so sánh với các điện cực được chế tạo bằng vật liệu graphene 3D khác. Tuy nhiên, kỹ thuật chế tạo của nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã mở ra một phương pháp sản xuất mới hiệu quả hơn. So với các phương pháp chế tạo graphene 3D thông thường thì phương pháp này "đơn giản, trực tiếp và dễ gia tăng tỉ lệ hơn cho các ứng dụng công nghiệp", nhóm nghiên cứu nhấn mạnh.