Siêu tụ điện hứa hẹn khả năng sạc điện thoại và các thiết bị khác chỉ trong vài giây hoặc vài phút thay vì mất nhiều giờ đồng hồ như khi sử dụng pin. Trên thực tế,tính linh hoạt và hiệu quả cũng như dung lượng của các công nghệ hiện đại còn rất hạn chếvà nhanh chóng giảm sút theo các chu kỳ sạc. Tuy nhiên, mới đây, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Queen Mary London (QMUL) và Đại học Cambridge, Anh đã phát hiện ra phương pháp khắc phục cả ba hạn chế trên.
Mẫu điện cực polymer mớivới hình dáng giống cây kẹo nhiều màu sắc được treo trên cây thông Noel có công suất tích trữ năng lượng gần bằng mức giới hạn lý thuyết, nhưng cũng thể hiện tính linh hoạt và khả năng phục hồi qua các chu kỳ sạc/xả sạc. Kỹ thuật này có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu siêu tụ điện và cho phép sạc nhanh điện thoại di động, quần áo thông minh và các thiết bị cấy ghép. Nghiên cứu đã được công bố trên ACS Energy Letters.
Giả tụ điện là tính chất của các siêu tụ điện polymer và composite, cho phép các ion di chuyển vào bên trong vật liệu và do đó, tích nhiều điện hơn siêu tụ điện cacbon do các ion tập trung gần bề mặt. Tuy nhiên, vấn đề với các siêu tụ polymer là các ion cần cho những phản ứng hóa học này chỉ có thể được tiếp cận ở khoảng cách vài nanometbên dưới bề mặt vật liệu. Bên cạnh ưu điểm là giúp gia tăng khối lượng vật liệu có thể tiếp cận gần bề mặt, phát triển polymer giống như cấu trúc nano cũng có những mặt hạn chế như: chi phí tốn kém, khó mở rộng và do đó, dẫn đến độ ổn định cơ học kém.
Nhóm nghiên cứu đã đưa ra một phương thức để đan xen các cấu trúc nano trong vật liệu rời, qua đó, đạt được các lợi ích của cấu trúc nano truyền thống mà không sử dụng các phương pháp tổng hợp phức tạp hoặc làm mất độ cứng của vật liệu.
Stoyan Smoukov, trưởng dự án nghiên cứu, giải thích: “Các siêu tụ điện của chúng tôi có khả năng tích được rất nhiều điện trong một khoảng thời gian rất ngắn, vì vật liệu hoạt tính mỏng (polymer dẫn điện) luôn tiếp xúc với polymer thứ hai chứa ion, giống như những phần mỏng màu đỏ của cây kẹo thường ở gần phần trắng, nhưng trên quy mô nhỏ hơn nhiều. Cấu trúc đan xen này cho phép vật liệu dễ dàng uốn cong cũng như nở ra và co lại mà không bị nứt, nhờ đó, tuổi thọ của vật liệu cũng tăng lên đáng kể“.
Nhóm nghiên cứu của ông Smoukov trước đây đã đi tiên phong trong phương thức kết hợp đa chức năng bằng cách sử dụng các mạng polymer đan xuyên, trong đó mỗi thành phần có một chức năng riêng, thay vì sử dụng phương pháp hóa học thử và sai cho phù hợp với mọi chức năng trong một phân tử. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp này để lưu trữ năng lượng, đặc biệt là các siêu tụ điện, do khó khăn trong việc sử dụng vật liệu kém hiệu quả ở sâu dưới bề mặt điện cực.
Kỹ thuật đan xuyên làm tăng đáng kể diện tích bề mặt của vật liệu hoặc chính xác hơn là diện tích giao diện giữa các thành phần polymer khác nhau. Hiện tượng đan xuyên xảy ra cũng giải quyết được hai vấn đề lớn khác trong siêu tụ điện. Một mặt, nó tạo khả năng linh hoạt và tăng độ chắc chắn vì các giao diện ngăn chặn sự hình thành của bất cứ vết nứt nào trong vật liệu. Mặt khác, nó cũng cho phép các phần mỏng nở ra và co lại liên tục mà không gây áp lực lớn, do đó, chúng có tính chất kháng điện hóa và duy trì hoạt động qua nhiều chu kỳ sạc.
Các nhà nghiên cứu hiện đang thiết kế hợp lý và đánh giá một loạt các vật liệu phù hợp cho hệ thống polymer đan xuyên để chế tạo các siêu tụ điện với chất lượng tốt hơn. Các thiết bị này có thể được sản xuất bằng màng mềm và dẻo để cung cấp điện cho các thiết bị điện tử gắn trong quần áo thông minh, thiết bị đeo trên người, thiết bị cấy ghép và rô bốt. Nhóm nghiên cứu hy vọng nghiên cứu của họ sẽ góp phần cung cấp năng lượng phổ biến cho các thiết bị Internet kết nối vạn vật vốn vẫn đang là thách thức lớn.