Các nhà khoa học Trung Quốc phát triển kỹ thuật sản xuất tụ điện điện môi chỉ trong một giây, duy tŕ hiệu suất tới 250°C, hứa hẹn ứng dụng cho xe điện lai, radar, laser công suất cao và vũ khí năng lượng định hướng.
Nhân viên làm việc trên dây chuyền sản xuất xe điện tại nhà máy của hăng sản xuất ô tô Trung Quốc NIO ở Hợp Ph́, tỉnh An Huy, miền Đông Trung Quốc vào ngày 24/9. Ảnh: AFP.
Các nhà khoa học Trung Quốc đă rút ngắn thời gian sản xuất linh kiện tụ điện lưu trữ năng lượng điện môi xuống chỉ c̣n 1 giây, mở ra khả năng sản xuất quy mô lớn và ổn định theo nhiệt độ cho các hệ thống như xe điện lai, radar và laser công suất cao.
Khác với các phương pháp khác có thể mất từ 3 phút đến 1 giờ tùy chất lượng sản phẩm, kỹ thuật “flash annealing” của nhóm nghiên cứu cho phép làm nóng và làm nguội với tốc độ 1.000 độ C mỗi giây, giúp tổng hợp nhanh màng tinh thể trên đế silicon “trong chớp mắt”.
Tụ điện điện môi là linh kiện điện tử có khả năng lưu trữ năng lượng bằng cách phân cực vật liệu điện môi giữa hai điện cực. Những tụ điện này có thể xả năng lượng trong thời gian cực ngắn để tạo ra ḍng điện cường độ lớn.
Các thiết bị tụ điện mới sản xuất từ những màng này có mật độ năng lượng cao, và duy tŕ hiệu suất trong dải nhiệt độ rộng lên tới 250°C (482°F). Mật độ năng lượng này tương đương các màng được sản xuất bằng phương pháp 3.000 giây, c̣n độ ổn định nhiệt tương đương phương pháp kéo dài trong 1 giờ.
“Khả năng ổn định nhiệt tuyệt vời này đảm bảo thiết bị vận hành b́nh thường trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt, bao gồm xe điện lai (dưới 140°C) và môi trường khắc nghiệt của hoạt động thăm ḍ dầu khí dưới ḷng đất (dưới 200°C)”, nhóm nghiên cứu cho biết trong bài báo đăng trên Science Advances ngày 14/11.
Nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu Kim loại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu, cho biết phương pháp của họ có thể sản xuất trên quy mô lớn và mang lại hướng đi khả thi cho lưu trữ năng lượng điện môi tích hợp trên chip.
Nhờ khả năng sạc – xả nhanh và mật độ công suất cao, tụ điện điện môi được đánh giá có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như xe điện, radar, laser công suất lớn và điện tử tiên tiến, nhóm nghiên cứu viết.
Một ứng dụng tiềm năng khác là phát triển vũ khí năng lượng định hướng, loại vũ khí tấn công tầm xa sử dụng năng lượng tập trung (như laser) để gây hại hoặc phá hủy mục tiêu, theo các nghiên cứu của thành viên Hải quân Mỹ.
Dù vậy, nhóm nghiên cứu Trung Quốc thừa nhận tụ điện điện môi vẫn có mật độ năng lượng tương đối thấp so với các nguồn năng lượng hóa học như pin lithium-ion.
Điều này đă thúc đẩy nhiều nỗ lực nhằm tăng mật độ năng lượng của vật liệu điện môi đồng thời tối ưu hóa khả năng ổn định nhiệt.
Để vượt qua rào cản này, nhóm – bao gồm các nhà khoa học của Đại học Sơn Đông và Đại học Giao thông Tây An – đă phát triển kỹ thuật làm nóng và làm nguội siêu nhanh để tạo màng tinh thể.
Phương pháp này gồm việc nhanh chóng làm nóng màng bằng cảm ứng điện từ với cuộn dây đồng, sau đó nhúng vào nitơ lỏng để làm nguội, “khóa” cấu trúc tinh thể ở trạng thái nhiệt độ cao – nơi vật liệu có khả năng lưu trữ năng lượng tốt hơn.
Phương pháp trên mang lại mật độ lưu trữ năng lượng 63,5 joule/cm³, cao hơn so với các kỹ thuật khác trong cùng điều kiện như nung ḷ muffle truyền thống, nung nhiệt nhanh hoặc nung nhanh kết hợp làm nguội gió.
Những màng được sản xuất bằng kỹ thuật làm nóng – làm nguội siêu nhanh này cũng thể hiện độ ổn định nhiệt “xuất sắc”, với mức suy giảm hiệu suất dưới 3% ở nhiệt độ lên đến 250°C.
Khả năng chịu đựng chu tŕnh nhiệt “rất tốt” có thể giúp chúng phù hợp cho các ứng dụng thường xuyên thay đổi nhiệt độ, như trong hàng không vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu cũng cho biết phương pháp của họ có thể mở rộng sang các vật liệu sắt điện khác ở quy mô tấm wafer, từ đó cung cấp giải pháp lưu trữ năng lượng điện môi tích hợp trên chip với khả năng sản xuất công nghiệp.
VietBF@ sưu tập