Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

VÕ XUÂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ ĐỘ XỐP CAO
DÙNG LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Nha Trang, tháng 07 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ ĐỘ XỐP CAO
DÙNG LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD

: TS. NGUYỄN VĂN HÒA

SVTH: VÕ XUÂN ĐẠI

Nha Trang, tháng 07 năm 2017


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Võ Xuân Đại
Lớp: 55CNHH
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho
siêu tụ điện.”
Số trang:

Số chương:

Tài liệu tham khảo:

Hiện vật:
NHẬN XÉT
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Kết luận .........................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Nha Trang, ngày…..tháng…..năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ĐỀ TÀI
Họ và tên sinh viên: Võ Xuân Đại
Lớp: 55CNHH
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho
siêu tụ điện.”
Số chương:

Số trang:

Tài liệu tham khảo:

Hiện vật:
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Kết luận .........................................................................................................................
Nha Trang, ngày…..tháng…..năm 2017
Điểm phản biện
Bằng số

Bằng chữ

CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)

___________________________________________________________________

Điểm phản biện
Bằng số

Bằng chữ

Nha Trang, ngày…..tháng…..năm 2017
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy cô Bộ môn Hóa, Khoa Công Nghệ Thực
Phẩm, Trường Đại học Nha Trang đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trung Tâm Thí Nghiệm Thực Hành – Khu Công
Nghệ Cao Trường Đại học Nha Trang đã quan tâm, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất cho tôi làm việc trong suốt thời gian thực tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Hòa, người đã dìu dắt tôi trên
con đường nghiên cứu khoa học và trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực
hiện đề tài và viết luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn các bạn và gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn này.
Người thực hiện

Võ Xuân Đại


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1

PHẦN I: TỔNG QUAN ............................................................................................4
I.1. GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN ....................................................................4
I.1.1. Cấu tạo và phân loại siêu tụ điện.....................................................................4
I.1.1.1. Cấu tạo ...........................................................................................................4
I.1.1.2. Phân loại ........................................................................................................6
I.1.1.2.1. Tụ điện tĩnh lớp kép (EDLCs) ..................................................................7
I.1.1.2.2. Giả tụ điện hóa ...........................................................................................7
I.1.1.2.3. Tụ lai ...........................................................................................................8
I.1.2. Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện ............................................................9
I.1.3. Ứng dụng của siêu tụ điện.............................................................................10
I.2. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ỨNG DỤNG CHO SIÊU TỤ ĐIỆN ............11
I.2.1. Vật liệu Carbon ..............................................................................................11
I.2.1.1. Carbon hoạt tính .........................................................................................13
I.2.1.2. Ống carbon (CNTs) ....................................................................................14
I.2.1.3. Tấm Carbon (Graphene) ...........................................................................15
I.2.1.3.1. Cấu tạo của Graphene .............................................................................16
I.2.1.3.2. Tính chất của Graphene .........................................................................18
I.2.1.3.3. Ứng dụng của Graphene .........................................................................20


I.2.1.3.4. Phƣơng pháp tổng hợp graphene ...........................................................20
I.2.1.3.4.1. Phƣơng pháp cơ học: ............................................................................20
I.2.1.3.4.2. Phƣơng pháp hóa học thông qua GO .................................................21
I.2.1.3.5. Than chì (Graphite) .................................................................................22
I.2.1.3.6. Vật liệu Graphene oxide (GO)................................................................24
I.2.1.3.6.1 Tính chất của Graphene Oxide ............................................................25
I.2.1.3.6.2. Tổng hợp Graphene Oxide (GO) ........................................................25
I.2.1.3.7. Reduced Graphene Oxide (rGO) ...........................................................27
I.2.2. Oxit/hydroxit kim loại ...................................................................................27
I.2.3. Polymer dẫn điện ...........................................................................................28

I.2.4. Vật liệu tổ hợp (composite) nền graphene ...................................................29
PHẦN II: THỰC NGHIỆM ...................................................................................31
II.1. Dụng cụ và hóa chất ........................................................................................31
II.1.1. Dụng cụ: ........................................................................................................31
II.1.2. Hóa chất: .......................................................................................................31
II.2. Tổng hợp vật liệu.............................................................................................32
II.2.1. Tổng hợp Graphene Oxide (GO) ................................................................32
II.2.2. Tổng hợp Composite rGO/Oxit kim loại ...................................................36
II.3. Chế tạo điện cực ..............................................................................................39
II.4. Đánh giá tính chất ...........................................................................................42


PHẦN III: KẾT QUẢ .............................................................................................46
III.1. Tính chất vật liệu ...........................................................................................46
III.1.1. Graphene Oxide ..........................................................................................46
III.1.2. Composite rGO/Co2O3,NiO .......................................................................46
III.1.3. Composite rGO/Co2O3 ...............................................................................49
III.1.4. Composite rGO/NiO ...................................................................................52
III.2. Tính chất Siêu tụ điện ...................................................................................56
PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................59
IV.1. Kết luận...........................................................................................................59
IV.2. Kiến nghị.........................................................................................................59
PHỤ LỤC .................................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61


DANH MỤC SƠ ĐỒ
Sơ đồ I.1: Quy trình tổng quát tổng hợp graphene ....................................................... 21
Sơ đồ II.1 : Tổng hợp Graphene Oxide ......................................................................... 33
Sơ đồ II.2: Quy trình tổng hợp composite ..................................................................... 36

Sơ đồ II.3: Quy trình chế tạo siêu tụ điện ..................................................................... 40


DANH MỤC BẢNG
Bảng I.1: Thông số về tính dẫn nhiệt của một số vật liệu: ............................................ 19
Bảng III.1: Mối liên hệ giữa khối lượng và thời gian xả điện tích của siêu tụ điện: ... 44
Bảng III.2: Khảo sát tính ổn định của một số vật liệu làm siêu tụ điện ....................... 44
Bảng III.3: So sánh tính ổn định của chất điện ly......................................................... 45


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Các loại siêu tụ điện thương mại .................................................................... 4
Hình 1.2: Cấu tạo của siêu tụ điện thương mại. ............................................................. 4
Hình 1.3: Cấu tạo chính của siêu tụ . ............................................................................. 5
Hình 1.4: Mô hình sắp đặt điện tích trên siêu tụ điện .................................................... 6
Hình 1.5: Các hình dạng thường gặp của siêu tụ điện ................................................... 6
Hình 1.6: Hướng di chuyển của ion mang điện .............................................................. 9
Hình 1.7 : Quá trình xả và nạp ..................................................................................... 10
Hình 1.8: Cấu tạo của graphene ................................................................................... 16
Hình 1.10: Ứng dụng của graphene ............................................................................. 20
Hình 1.11: Tách graphene bằng phương pháp cơ học ................................................. 21
Hình 1.11: a) Mẫu than chì, b) Quặng than chì ........................................................... 22
Hình 1.12 : Cấu tạo than chì (graphite) ....................................................................... 23
Hình 1.15: Quá trình tạo composite ............................................................................. 29
Hình 2.1: Một số dụng cụ thủy tinh thí nghiệm ............................................................ 31
Hình 2.2: Bột than chì, Hình 2.3: Tinh thể KMnO4 ...................................................... 32
Hình 2.6: Bình cầu tạo GO sau khi lắc, Hình 2.7:Hỗn hợp GO chuyển từ bình cầu ... 34
Hình 2.8: Quá trình tạo GO .......................................................................................... 35
Hình 2.9:Chuẩn bị vi sóng phá mẫu ............................................................................. 37
Hình 2.11: Mẫu GO/Co2O3,NiO sau khi vi sóng .......................................................... 38

Hình 2.12: Mẫu GO/Co2O3 sau vi sóng, Hình 2.13: Mẫu GO/NiO sau vi sóng.......... 38
Hình 2.14: Mẫu composite sau sấy. ............................................................................. 39
Hình II.15: Tiến hành nung mẫu composite: a) Composite trong cốc nung, b) Cốc
composite đặt trong lò nung .......................................................................................... 39
Hình 2.16: Bản cực tấm Niken ...................................................................................... 40
Hình 2.17: Chuẩn bị vật liệu composite cho điện cực: a) Thêm cồn, b) Thêm
chitosan ......................................................................................................................... 41
Hình 2.18: Bản điện cực được phủ lớp vật liệu ............................................................ 41
Hình 2.18: Quấn lớp phân cách lên bản điện cực ........................................................ 42


Hình 2.19: Ghép bản cực siêu tụ điện: a) Nhỏ chất điện phân, b) Cố định bản điện
cực siêu tụ bằng lớp quấn parafilm .............................................................................. 42
Hình 2.20: Quá trình nạp điện tích ............................................................................... 43
Hình 2.21: Quá trình xả điện tích ................................................................................. 43


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa
MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài
Trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay, lưu trữ năng lượng là thành phần
quan trọng để tạo ra các hệ thống năng lượng bền vững. Các công nghệ hiện tại, như
pin quang điện mặt trời và tua-bin gió, có thể tạo ra năng lượng một cách bền vững
và thân thiện với môi trường. Nhưng bản chất hoạt động liên tục vẫn cản trở khả
năng ứng dụng của chúng, trở thành một thiết bị mang năng lượng sơ cấp. Các
công nghệ lưu trữ năng lượng có tiềm năng bù đắp cho vấn đề liên tục của các
nguồn năng lượng tái tạo bằng cách lưu trữ năng lượng không liên tục và sau đó có

thể tiếp cận theo yêu cầu ứng dụng. Ngoài các ứng dụng lưới năng lượng, các công
nghệ lưu trữ năng lượng cũng có tiềm năng để chuyển đổi hệ thống giao thông. Việc
vận hành các thiết bị lưu trữ năng lượng có thể thay thế cho hệ thống truyền động
của các công nghệ vận chuyển hiện tại từ một hệ thống truyền động dựa vào nhiên
liệu hoá học thành hệ thống truyền động điện. Xe điện là một ví dụ điển hình về
cách các công nghệ lưu trữ năng lượng có thể biến đổi hệ thống giao thông thành
mô hình bền vững hơn. Các thiết bị điện tử đã trở nên phổ biến trong xã hội hiện
đại, cũng phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ lưu trữ năng lượng. Phạm vi rộng của
các sản phẩm ngành công nghiệp mà lưu trữ năng lượng ảnh hưởng đến cho thấy
những tiến bộ và bước đột phá có giá trị trong lĩnh vực này sẽ như thế nào trong
tương lai.
Quá trình nạp và xả pin trong các thiết bị điện tử di động là một quá trình
chậm và có thể làm suy giảm các hợp chất hóa học bên trong pin theo thời gian. Kết
quả là, pin có mật độ năng lượng thấp và mất khả năng lưu trữ của nó do thiệt hại
vật chất. Từ đó, để khắc chế các nhược điểm của pin, các siêu tụ điện với cơ chế lưu
trữ năng lượng khác nhau được ra đời. Siêu tụ điện (SCs: Supercapacitors) là thiết
bị lưu trữ năng lượng, còn gọi là tụ điện lớp kép hay tụ điện hóa, là loại tụ chứa
dung lượng cao với chỉ số điện dung cao hơn nhiều so với các loại tụ điện khác
(nhưng giới hạn điện áp thấp). Là một trong những tụ điện công suất lớn nhất, một
loại thiết bị lưu trữ năng lượng với nhiều tính năng hứa hẹn, bao gồm: tuổi thọ dài
(> 106 lần), mật độ công suất cao, bảo trì dễ dàng. Các tụ điện siêu tụ làm giảm
1|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

khoảng cách năng lượng giữa các tụ điện điện môi truyền thống (có mật độ công
suất cao và mật độ năng lượng thấp) và pin, pin nhiên liệu (có mật độ năng lượng
cao và mật độ công suất điện thấp). Các ứng dụng của các tụ điện siêu tụ chủ yếu
được chia thành ba loại: Cung cấp; ứng dụng chất lượng điện; Sao lưu, an toàn và
các ứng dụng bảo trì thấp [1,2]. Siêu tụ có khả năng tích trữ từ 10 đến hơn 100 lần
năng lượng trên đơn vị thể tích hoặc khối lượng hơn các loại tụ hóa. Có thể nhận và
phân phối điện tích nhanh hơn nhiều lần so với pin và chịu chu kỳ xả và nạp cao
hơn pin sạc.
Trong các siêu tụ điện, năng lượng được lưu trữ tĩnh điện trên bề mặt của vật
liệu, và các phản ứng hóa học. Với cơ chế cơ bản của nó, các tụ siêu tụ điện có thể
được sạc nhanh, dẫn đến mật độ công suất rất cao và không mất khả năng lưu trữ
theo thời gian. Các siêu tụ có thể tồn tại hàng triệu lần nạp/xả mà không mất khả
năng tích trữ năng lượng. Sự thiếu sót chính của các siêu tụ điện là mật độ năng
lượng thấp, có nghĩa là lượng điện năng siêu tụ có thể lưu trữ trên một đơn vị trọng
lượng là rất nhỏ khi so với pin và chi phí sản xuất của vật liệu siêu tụ thường quá
cao. Do đó, để khắc phục những nhược điểm và phát triển vật liệu mới cho siêu tụ
cũng như giảm giá thành khi chế tạo và để ứng dụng siêu tụ rộng rãi hơn như một
thiết bị năng lượng lưu trữ của tương tai, tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung:
“Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho siêu tụ
điện” để thực hiện mục đích trên.
Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Graphene Oxide (GO) từ bột than chì.
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp (Composite) GO và oxit kim loại
chuyển tiếp có độ xốp cao.
- Nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện dùng vật liệu composite đã tổng hợp ở trên.
- Khảo sát sử dụng các chất điện ly khác nhau cho siêu tụ.
- Khảo sát và đánh giá tính chất, độ ổn định của vật liệu composite làm siêu
tụ.

2|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Ý nghĩa của đề tài
- Tổng hợp được một số tổ hợp vật liệu mới ứng dụng tạo siêu tụ điện có
hiệu năng cao dùng cho lưu trữ năng lượng.
- Đánh giá dung dịch điện ly phù hợp dùng trong siêu tụ điện, góp phần tăng
hiệu năng của siêu tụ.
- Việc chế tạo thành công vật liệu Graphene Oxide, vật liệu tổ hợp
(composite) có độ xốp cao, hay siêu tụ điện có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt siêu tụ điện như thiết bị năng
lượng trong tương lai.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn được thuận hiện bằng phương pháp thực nghiệm.
Bố cục của luận văn
Luận văn được chia làm 4 phần:
Phần I: Tổng quan về siêu tụ điện, vật liệu Carbon trong chế tạo siêu tụ,
những tính chất nổi bật, các phương pháp chế tạo và các ứng dụng của siêu tụ, vật
liệu Carbon.
Phần II: Thực nghiệm tổng hợp Graphene Oxide, tổng hợp vật liệu tổ hợp
(composite) GO và oxit kim loại chuyển tiếp, chế tạo siêu tụ điện.
Phần III: Kết quả

Đưa ra các kết quả tổng hợp hay chế tạo bằng hình ảnh từ thực nghiệm,
các hình ảnh phân tích bằng kính hiển vi điện tử (SEM) để thảo luận, đánh giá tính
chất của vật liệu chế tạo siệu tụ điện, siêu tụ điện.
Phần IV: Kết luận và kiến nghị
Kết luận những kết quả nghiên cứu đã đạt được và tiếp tục định hướng
hướng nghiên cứu trong tương lai.

3|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa
PHẦN I: TỔNG QUAN

I.1. GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN
I.1.1. Cấu tạo và phân loại siêu tụ điện
I.1.1.1. Cấu tạo

Hình 1.1: Các loại siêu tụ điện thương mại

Hình 1.2: Cấu tạo của siêu tụ điện thương mại.
Như hình trên, các siêu tụ điện thương mại được chế tạo từ nhiều lớp vật liệu
ghép với nhau và được bao quanh bởi lớp vỏ kim loại bên ngoài, cho thấy các thiết
bị này có độ an toàn cao khi sử dụng.
Về đặc trưng cấu tạo chính của siêu tụ điện gồm 3 phần chính:

4|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

- Điện cực siêu tụ:
+ Bản cực: vật liệu carbon, các tấm kim loại: đồng, nhôm, niken…
+ Vật liệu phủ bản cực: vật liệu carbon, oxit/hydroxit kim loại, các
polymer dẫn điện.
- Lớp phân cách: polymer không dẫn điện: giấy lọc, giấy mềm.
- Chất điện ly: các chất phân ly ion mang điện: bazơ, axit, muối, chất lỏng
ion.

Hình 1.3: Cấu tạo chính của siêu tụ .
Một lớp kép được tạo thành tại mỗi bề mặt phân cách nơi mà các bột carbon
hoạt hóa tiếp xúc với chất điện phân. Khi sạc siêu tụ điện, các ion âm và được gắn
trên chỗ trống trên bề mặt điện cực dương, các ion dương và các điện tử trên bề mặt
cực âm được sắp xếp ngang trên bề mặt phân cách. Trạng thái sắp đặc của các ion
và điện tử được gọi là lớp điện kép [1]. Bởi vì đây là lớp được tạo thành bởi chuyển
động vật lý của các ion. Điều này cho thấy siêu tụ điện có chu kỳ nạp/xả tốt hơn. Đó
là lý do sử dụng carbon hoạt tính trên điện cực nhầm tăng diện tích bề mặt của
chúng. Các lỗ nhỏ trên bề mặt carbon hoạt tính làm tăng diện tích bề mặt của điện
cực. Từ đó, diện tích bề mặt được tăng lên, khả năng nạp tăng lên, có thể tích lũy
điện tốt hơn, siêu tụ điện có khả năng đạt mức điện dung rất cao [2].

5|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Hình 1.4: Mô hình sắp đặt điện tích trên siêu tụ điện
I.1.1.2. Phân loại
Siêu tụ điện được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi chu kỳ nạp/xả phải
nhanh, lưu trữ năng lượng tích trong các thiết bị nhỏ gọn dài hạn: Sử dụng trong xe
ôtô, xe buýt, tàu hỏa, cần trục và thang máy,... chúng được dùng cho phanh tái tạo
có thời hạn tích lũy năng lượng ngắn hoặc trong chế độ phát điện. Các đơn vị nhỏ
hơn được sử dụng làm bộ nhớ lưu trữ cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh
(SRAM: static random-access memory) [1].
Siêu tụ điện đã được tạo ra rất đa dạng bằng việc dựa trên hình dạng và cấu
trúc. Các hình dạng khác nhau của siêu tụ điện được mô tả hình dưới.

Hình 1.5: Các hình dạng thường gặp của siêu tụ điện

6|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.1.1.2.1. Tụ điện tĩnh lớp kép (EDLCs)
Tụ điện tĩnh điện lớp kép (EDLCs: Electric double-layer capacitors): Dùng
vật liệu carbon làm chất liệu cho điện cực với điện dung giải phóng tức thời của lớp
kép tĩnh điện cao hơn nhiều so với giả tụ hóa, đạt được việc tách điện tích trong lớp
kép Helmholtz tại mặt phân cách giữa bề mặt điện cực dẫn điễn và chất điện phân.
Sự phân tách của điện tích cỡ vài ångströms (0.3-0.8 nm), nhỏ hơn nhiều so với tụ
điện thông thường [1,3]. Trong hầu hết các trường hợp, EDLCs được dựa trên các
vật liệu điện cực carbon xốp, lưu trữ điện tích bằng cách sử dụng hấp phụ thuận
nghịch các ion điện phân lên các điện cực carbon hoạt hóa ổn định, điện cực hóa bề
mặt cao. Diện tích bề mặt cụ thể của EDLCs được mở rộng bằng cách làm cho phần
lớn vật liệu carbon xốp. Về nguyên tắc, các yêu cầu chính đối với điện cực EDLCs
bao gồm: (i) tốc độ sạc nhanh; (ii) vùng điện thế lớn; (iii) độ dẫn cao; (iv) diện tích
bề mặt lớn [4].
I.1.1.2.2. Giả tụ điện hóa
Giả tụ điện hóa (Pseudocapacitor): Sử dụng các oxit kim loại hoặc polymer
dẫn điện có giả điện dung hóa cao làm vật liệu cho điện cực, giả tụ điện hóa đạt
được bằng việc chuyển dời điện tử theo kiểu Faraday với các phản ứng oxy-hóa khử
hoặc sự hấp thụ điện đan xen [1,2,6]. Các phản ứng oxi hóa nhanh trong suốt quá
trình nạp/xả ở bề mặt của chúng. Thực tế việc tích trữ điện tích dựa trên quy trình
phản ứng oxi hóa khử có nghĩa là các bộ giả tụ có một số hoạt động giống như pin
(phản ứng nhiệt hóa) trong quá trình nạp/xả. Do đó, bộ giả tụ cho thấy điện dung
lưu trữ cao hơn EDLCs, mặc dù chúng có tốc độ sạc điện chậm hơn EDLCs. Sự
quan tâm đang gia tăng trong việc phát triển các vật liệu được cải tiến cho các bộ
giả tụ hóa. Để cải thiện điện dung của bộ giả tụ, cần phải có bốn yếu tố chính: (i) sự

pha tạp của polymer dẫn để tăng trạng thái oxy hóa khử và độ dẫn điện; (ii) trạng
thái xả/nạp; (iii) diện tích bề mặt cao cho phản ứng oxi hóa khử; (iv) tiềm năng điện
thế rộng [6].

7|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.1.1.2.3. Tụ lai
Tụ lai (Hybrid capacitors): Các tụ điện lai bao gồm EDLCs và các bộ khuếch
đại giả tụ hóa kết hợp với nhau trong cùng một thiết bị để tận dụng lợi thế của
chúng. Đó là mật độ năng lượng và công suất cao. Sử dụng các điện cực với những
đặc tính trên và đạt được mức điện dung cao nhất [2]. Cơ chế lưu trữ điện tích trong
các thiết bị như vậy là sự kết hợp của hiện tượng hấp thụ và hấp thụ hấp thu hoàn
toàn ở điện cực và phản ứng oxi hóa khử ở điện cực. Ngoài ra, để đạt được mật độ
năng lượng cao, các hệ thống tụ điện lai bao gồm vật liệu oxi hóa đã được nghiên
cứu và phát triển tích cực trong những năm gần đây. Cả EDLCs và giả tụ hóa đều
rất cần thiết cho việc chế tạo tụ điện hiệu năng cao. Tụ điện hóa học bao gồm các
chất điện ly, chất tách, chất kết dính, và các vật liệu điện cực. Ở đây, chúng tôi tập
trung vào nghiên cứu các vật liệu điện cực cấu trúc sử dụng loại tụ điện hóa kết
hợp giữa EDLCs và giả tụ điện hóa : Tụ điện lai.
Với các ưu điểm của tụ lai, làm cho các siêu tụ điện có nhiều tính năng:
- Khối nhỏ và mỏng, gọn.

- Có thể được sạc đầy và thải ra chỉ trong vài giây, thậm chí dưới nhiệt độ
0oC.
- Điện trở kháng thấp, năng lượng và điện dung cao: Dòng điện lớn có thể đi
qua, năng lượng cao vào và ra đã được so sánh với pin [4].
- Chu kỳ xả/nạp tuyệt vời: Cơ chế nạp/xả không cần phản ứng hóa học, nó có
thể nạp và xả hơn 100000 lần [2,4].
- Độ tin cậy cao: Các siêu tụ được bịt kín thành các khối và việc tối ưu hóa
sự giảm suất hiệu suất của hệ thống đã được so sánh với các tụ điện thông thường
[4].
Các chất điện ly tạo thành một liên kết dẫn các ion giữa hai điện cực và phân
biệt chúng với các tụ điện phân thông thường nơi các lớp kép luôn tồn tại, và chất
điện phân là một phần quan trọng của điện cực (cực âm hoặc chính xác hơn là cực
dương). Siêu tụ điện điện phân cực bằng cách thiết kế dạng điện cực không đối
8|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

xứng, hoặc điện cực đối xứng, bằng một điện thế được áp dụng trong quá trình sản
xuất.
I.1.2. Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện
Các siêu tụ điện không có lớp điện môi giữa các điện cực dương và âm
không giống các tụ điện gốm hoặc các tụ điện điện phân. Thay vào đó, một chất
điện ly (rắn hoặc lỏng) có ion dương và ion âm được lấp đầy giữa hai điện cực.

Một trạng thái điện gọi là "lớp điện kép", là một cặp electron và ion dương hình
thành trên các bề mặt của điện cực, hoạt động như một điện phân và mang điện
dung cao.
Siêu tụ điện xảy ra hai cơ chế lưu trữ chính:
- Hiện tượng vật lý: Sự di chuyển của các ion mang điện về các bản
cực trái dấu, các ion này bám lên trên bề mặt điện cực tạo thành các lớp điện kép.
Khi xả năng lượng thì các ion mạng điện sẽ thoát khỏi bề mặt và sẽ di chuyển tạo
thành dòng điện và làm các thiết bị điện sẽ hoạt động.
- Phản ứng hóa học: Các phản ứng hóa học xảy ra do các oxit kim loại
hay các polymer dẫn điện trên điện cực tạo ra các ion mang điện. Khi xả năng lượng
thì các ion này tạo thành dòng điện và được giải phóng ra khỏi siêu tụ điện.

Hình 1.6: Hướng di chuyển của ion mang điện

9|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Giá trị điện dung của siêu tụ tương ứng với diện tích bề mặt của điện cực. Do
đó, để có được điện dung cao, vật liệu carbon có diện tích bề mặt khá lớn được sử
dụng làm vật liệu điện cực trong nhiều trường hợp. Quá trình nạp điện tích xảy ra
bởi các ion di chuyển bề mặt điện cực trái dấu tương ứng. Ngược lại, quá trình xả
các ion được thải ra đi ra khỏi bề mặt điện cực tạo ra một dòng điện làm bóng đèn

sáng (Hình I.6).

Hình 1.7 : Quá trình xả và nạp
I.1.3. Ứng dụng của siêu tụ điện
Siêu tụ điện là các nguồn năng lượng điện hóa với sự phân phối và thu nhận
năng lượng cao, với chu kỳ sử dụng dài. Chúng được sử dụng khi nhu cầu điện năng
cao là cần thiết, chẳng hạn như cho buồng điện và các đơn vị tiết kiệm năng lượng,
nhưng cũng rất quan tâm đến việc thu hồi năng lượng. Các thiết bị nhỏ (một số ít)
được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng buồng điện hoặc để lưu trữ bộ nhớ trong
đồ chơi, máy ảnh, máy ghi hình, điện thoại di động,…[2]
Các công cụ không dây như tua vít và máy cắt điện bằng siêu tụ đã có trên
thị trường. Các hệ thống này, sử dụng thiết bị của một vài chục fara, có thể được sạc
đầy hoặc thải ra trong ít hơn 2 phút, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng này, với chu
kỳ của siêu tụ vượt quá công suất của dụng cụ. Máy bay phản lực A380 của Airbus
sử dụng các dãy siêu tụ để mở cửa khẩn cấp. Ứng dụng này rõ ràng là một thị
trường thích hợp, nhưng nó là một minh chứng cho thấy công nghệ siêu tụ điện đã
trưởng thành về hiệu năng, độ tin cậy và sự an toàn [2]. Ngoài ra, các siêu tụ còn
được ứng dụng trong các lĩnh vực:
10 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

- Trong vận tải: xe buýt, xe ôtô, xe điện..

- Tăng cường công suất trong tăng tốc.
- Điều chỉnh điện áp vào lưới năng lượng.
- Hỗ trợ các thiết bị tải điện.
- Điện dự phòng cho các thiết bị yêu cầu việc nạp/xả nhanh.
- Các thiết bị điện trong gia đình.
- Các thiết bị tích hợp năng lượng.
Khả năng ứng dụng của các siêu tụ điện so với các thiết bị khác đã được
chứng minh và thể hiện tính chất phù hợp so với pin và các tụ điện hóa khác.
I.2. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ỨNG DỤNG CHO SIÊU TỤ ĐIỆN
I.2.1. Vật liệu Carbon
Vật liệu carbon được coi là vật liệu điện cực tiềm năng cho công nghiệp hóa.
Thông thường, vật liệu carbon lưu trữ điện tích chủ yếu trong lớp điện kép được tạo
thành tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân. Do đó, điện dung chủ yếu phụ
thuộc vào diện tích bề mặt có thể tiếp cận được với ion điện phân. Các yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa của chúng là diện tích bề mặt cụ thể, sự
phân bố kích thước lỗ, hình dạng lỗ và cấu trúc, tính dẫn điện, và tính năng bề mặt
[6,7].
Carbon là nguyên tố đóng vai trò quan trọng cho sự sống và là nguyên tố cơ
bản của hàng triệu hợp chất hóa học hữu cơ. Trong một nguyên tử carbon, các
electron lớp ngoài cùng có thể hình thành nên nhiều kiểu lai hóa khác nhau, do đó
khi các nguyên tử này liên kết lại với nhau chúng cũng có khả năng tạo nên nhiều
dạng cấu trúc tinh thể như: Cấu trúc tinh thể ba chiều (3D), hai chiều (2D), một
chiều (1D) và không chiều (0D). Điều này được thể hiện thông qua sự phong phú về
các dạng thù hình của vật liệu carbon là: Kim cương, graphite, graphene, carbon
nanotube hay ống carbon, fullerenes.

11 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Carbon là chất duy nhất có lượng lớn các thù hình và phạm vi phân bố rất
rộng. Hầu hết các carbon sử dụng ngày nay là do được sản xuất hoặc được thiết kế
các carbon truyền thống. Chúng có cấu trúc vô định hình với sự sắp xếp lôn xộn các
cấu trúc vi mô giống nhau đã được tìm ra trong than chì. Các tính chất điện của
carbon có ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của siêu tụ điện. Các tính chất điện của
vật liệu carbon phụ thuộc chính vào cấu trúc của chúng [8].
Siêu tụ điện cũng được chia ra thành các loại khác nhau dựa trên vật liệu
carbon được sử dụng làm vật liệu điện cực. Carbon có nhiều lợi thế khi được sử
dụng như là chất điện, bao gồm [8]:
- Tính dẫn điện cao
- Diện tích bề mặt lớn
- Chống ăn mòn tốt
- Cấu trúc lỗ xốp đều
- Khả năng xử lý và tính tương thích trong vật liệu tổ hợp (composite)
- Chi phí thấp
Mức độ điện trở suất và tính dẫn điện chỉ rõ mức độ quan trọng của một điện
cực. Tính dẫn của carbon rắn thì được tăng lên đáng kể tại nhiệt độ cao hơn 700oC
và tốc độ chậm hơn tại nhiệt độ này. Trong suốt quá trình xử lý nhiệt, các electron
bị tách ra từ các liên kết và trở thành các chất mang điện tích. Hơn nữa, độ dẫn điện
tăng như các hệ thống liên hợp riêng kết nối với nhau để tạo thành một mạng dẫn.
Do đó, xử lý nhiệt tăng tính dẫn của carbon bằng cách thay đổi sự hỗn lộn cấu trúc
[8].
Cơ chế lưu trữ được sử dụng bởi vật liệu carbon là lớp điện hóa kép được tạo

thành tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân. Do đó, điện dung chủ yếu phụ
thuộc vào diện tích bề mặt có thể tiếp cận được với ion điện phân. Các yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa là diện tích bề mặt cụ thể, hình dạng lỗ xốp
và cấu trúc, sự phân bố kích thước lỗ, tính năng bề mặt và độ dẫn điện. Vật liệu
carbon có diện tích bề mặt riêng cao dẫn đến khả năng tích lũy điện ở bề mặt điện
12 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

cực và điện phân cao. Khi cải thiện dung tích riêng cho vật liệu carbon, ngoài kích
thước lỗ xốp và diện tích bề mặt cụ thể cao, chức năng bề mặt phải được xem xét.
Một số dạng về vật liệu carbon tiềm năng được sử dụng chủ yếu làm vật liệu
điện cực:
- Carbon hoạt tính.
- Ống nano carbon.
- Tấm Carbon (Graphene).
Để hiểu rõ hơn về tính chất vật liệu làm điện cực cho siêu tụ, chúng ta sẽ đi
sâu hơn về đặc tính của chúng.
I.2.1.1. Carbon hoạt tính
Vật liệu điện cực được sử dụng rộng rãi nhất là carbon hoạt tính. Do diện
tích bề mặt lớn, tính chất điện tốt và chi phí vừa phải. Carbon hoạt tính có thể được
sản xuất bằng cách kích hoạt vật lý hoặc hoá học từ các loại vật liệu carbon khác
nhau (ví dụ: gỗ, vỏ than ...). Kích hoạt vật lý liên quan đến việc xử lý carbon tiền

thân ở nhiệt độ cao (700-1200oC) với sự có mặt của các khí oxy hóa như hơi nước,
CO2 và không khí. Trong trường hợp kích hoạt hóa học, nó được thực hiện ở nhiệt
độ thấp hơn (400-700oC) sử dụng các tác nhân kích hoạt như natri hydroxit, kali
hydroxit, kẽm clorua và axit photphoric [8]. Tùy thuộc vào các phương pháp kích
hoạt và các tiền thân carbon, carbon hoạt tính có nhiều đặc tính lý hoá với diện tích
bề mặt được phát triển tốt lên đến 3000 m2 / g. Nghiên cứu mở rộng đã được tiến
hành để phát triển cấu trúc xốp. Kích thước lỗ nhỏ của vật liệu carbon dẫn đến các
vùng bề mặt cụ thể lớn. Tuy nhiên, ở một kích cỡ lỗ nhất định, kích thước bề mặt
hiệu quả của lớp kép được tối đa hóa trong khi duy trì sự trao đổi ion tối ưu với chất
điện phân [2].
Nhiều nhà nghiên cứu đã kiểm tra mối quan hệ giữa điện dung riêng và diện
tích bề mặt riêng của carbon hoạt tính và có vẻ như có sự khác biệt giữa chúng. Có
một diện tích bề mặt riêng cao khoảng 3000 m2/g, một điện dung tương đối nhỏ đã
thu được. Điều này cho thấy không phải tất cả các lỗ xốp đều có hiệu quả trong quá
13 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

55134259