Điện thoại hoặc các thiết bị điện tử khác có thể sạc pin chỉ trong vài giây và chỉ cần sạc một lần mỗi tuần hay thậm chí mỗi tháng. Pin này có khả năng phân hủy sinh học và an toàn cho môi trường.
Điều ai cũng có thể gặp phải: đang dùng điện thoại kiểm tra tin nhắn, email,… nhưng rồi biểu tượng màu đỏ ở phía trên màn hình xuất hiện cảnh báo pin sắp hết, và nhiều khả năng chiếc điện thoại của bạn sẽ “chết” trước khi “lết” qua hết phần còn lại. So với các cách lưu trữ năng lượng khác, đặc biệt so với nhiên liệu hóa thạch, một cục pin 0,5kg chứa năng lượng ít hơn 0,5 kg xăng (khoảng 0,7 lít). Điều đó cũng không tệ lắm nếu năng lượng của pin dễ làm đầy trở lại. Một chiếc xe điện hiện nay chỉ có thể đi được 1-2 trăm cây số lại phải sạc, nếu như có thể sạc trong vòng vài phút thay vì hàng giờ thì sức chứa năng lượng thấp cũng không phải là vấn đề lớn. Ngoài ra, nếu pin cũ/ hư không được xử lý đúng cách, thành phần của nó có thể ngấm vào đất /nước sẽ trở nên độc hại đối với con người, động vật và cây cối.
Các nhà khoa học đã mất rất nhiều năm và cố gắng tạo ra loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng cao hoặc ít ra không mất nhiều thời gian sạc. Nếu có thể làm cách nào đó chế tạo loại pin hoàn hảo này, khá nhiều thiết bị, từ điện thoại đến máy tính xách tay và xe điện tương lai sẽ ít phiền toái hơn hiện nay. Loại pin hoàn hảo này có thể tác động tích cực đến một số vấn đề quan trọng khác như biến đổi khí hậu, chiến tranh dầu hỏa, ô nhiễm môi trường, v.v…
Một cách tiếp cận để cải thiện pin là …quên pin đi, thay vào đó là cải thiện tụ điện. Tương tự như pin, tụ điện là một thiết bị chứa (năng lượng) điện. Tuy nhiên tụ điện sạc và xả năng lượng nhanh hơn pin nhiều. Vậy làm sao để chế tạo tụ điện lưu trữ thật nhiều năng lượng đồng thời sạc một cách nhanh chóng và “xả chậm rải” ? Trong vài năm qua các nhà nghiên trên khắp thế giới đã chạy đua để làm việc đó. Họ đang ráo riết đeo đuổi "siêu tụ" - một loại tụ điện lưu trữ năng lượng dùng các điện cực than ngâm trong dung dịch điện phân.
Trên hành trình đưa siêu tụ vào đời sống
Pin thường bao gồm các tế bào điện hóa. Những tế bào này có hai điện cực cách nhau, ở giữa là chất điện phân. Một trong hai điện cực cho các điện tử (electron) thoát ra trong khi điện cực kia thu nhận các electron.
| Siêu tụ có hai vật liệu dẫn điện (thường là tấm kim loại) được phủ một lớp than (carbon) hoạt tính và ngâm trong chất điện phân. Một tấm kim loại chứa các ion dương, còn tấm kia chứa ion âm. Khi sạc, các ion tích tụ trên bề mặt của hai tấm kim loại phủ carbon này. Siêu tụ giống như có hai tụ điện ghép lại làm một. Đây là lý do đôi khi siêu tụ được giới thiệu như là tụ điện hai lớp. |  | 1. Đầu pin
2. Lỗ thông hơi an toàn
3. Miếng che
4. Vỏ nhôm
5. Cực dương
6. Lớp cách
7. Lớp carbon
8. Lớp thu điện
9. Lớp carbon
10. Cực âm |
Tại sao đến nay chưa sử dụng siêu tụ điện thay cho pin trong các thiết bị?
Pin và mô đun pin siêu tụ của Maxwell Technologies.
| Giống như pin, tụ điện thông thường lưu trữ năng lượng điện, tuy nhiên pin có thể vừa tạo ra vừa lưu trữ các electron, còn tụ điện chỉ có khả năng lưu trữ electron. Siêu tụ hiện nay có khả năng lưu giữ năng lượng không nhiều, và do sử dụng chất điện phân hữu cơ nên tốc độ phóng thích năng lượng của siêu tụ cao hơn nhiều so với pin. Ngoài ra, siêu tụ là loại thiết bị điện áp thấp nên để đạt được mức điện áp làm việc hữu dụng, cần phải nối nhiều tụ lại. Hơn nữa, sản xuất siêu tụ hiện nay không hiệu quả, ví dụ, nếu muốn sử dụng siêu tụ để cấp nguồn cho máy tính xách tay, bạn có thể phải chi hàng | | 
Các nhà nghiên cứu tại UCLA (University of California, Los Angeles) phát triển kỹ thuật mới để mở rộng việc sản xuất siêu tụ. |
trăm đô la cho hàng tá siêu tụ. Khi nối với nhau, chuỗi các siêu tụ này sẽ tạo ra một máy tính xách tay không còn “di động”. Do những hạn chế trên, sử dụng siêu tụ trong các thiết bị điện tử gia dụng và di động chưa khả thi. Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ trong nghiên cứu khoa học, chúng ta đang đến rất gần cú đột phá có thể thay đổi điều này.
Gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học California (UCLA) đã tìm ra cách sản xuất siêu tụ dùng graphene có khả năng tích điện nhiều hơn, sạc nhanh hơn so với pin lithium hiện nay gấp ba lần. Graphene là vật liệu dẫn điện mới nhất được biết đến (mời xem bài “Graphene: cuộc cách mạng cho ngành điện tử”, STINFO số 04/2009), nhưng nó khó sản xuất và áp dụng. Điểm đáng ghi nhận của phát hiện mới này là siêu tụ graphene được tạo ra bằng thiết bị ghi DVD rẻ tiền, đơn giản. Các nhà nghiên cứu phát hiện khi đặt tấm phim graphite oxit trên đĩa DVD trắng rồi dùng công nghệ laser của DVD (công nghệ LightScribe) để ghi đĩa, graphite oxit khi đó được “cắt lát” thành graphene. Đặt chất điện phân giữa các lát graphene sẽ có một loại siêu tụ mới.
Với công trình phát triển siêu tụ bé xíu đặt vừa bên trong chiếc pin điện thoại di động và có thể sạc trong vòng 20 đến 30 giây, cô sinh viên Eesha Khare của đại học California (UCLA) đã được trao giải Nhà khoa học trẻ 2013 của Intel Foundation.
Không dừng lại ở đó, các nhà nghiên cứu còn bắt đầu xử lý đến các điện cực. Richard Kaner, người đứng đầu nhóm nghiên cứu nói: "Chúng tôi đặt chúng cạnh nhau theo mô hình đan xen, giống như ngón tay đan xen nhau. Điều này giúp tăng tối đa diện tích bề mặt tiếp xúc cho mỗi điện cực đồng thời giảm đoạn đường mà các ion trong chất điện phân cần khuếch tán. Kết quả tạo ra loại siêu tụ mới có dung lượng và tốc độ sạc cao hơn".
Vài năm trước, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã bắt tay vào việc tạo ra siêu tụ siêu nhỏ (hay vi siêu tụ). Sử dụng phương pháp tương tự như để chế tạo vi mạch cho các thiết bị điện tử, các nhà nghiên cứu khắc các điện cực của tấm phim carbon nguyên khối lên nền cacbua titan dẫn điện. Kết quả tạo ra vi siêu tụ có mật độ lưu trữ năng lượng ít nhất gấp đôi các siêu tụ hiện có. | | 
Nhà hóa học John Chmiola tại Berkeley Lab đang phát triển một loại vi siêu tụ có thể làm tăng đáng kể hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị lưu trữ năng lượng (điện) di động. Nguồn: Berkeley Lab Public Affairs |
Khi nào sẽ có siêu tụ cho các thiết bị điện tử?
Những đột phá khoa học trên vẫn cần được thử nghiệm trong thực tế, và điều đó đang diễn ra. Một số siêu tụ đã được đưa vào sử dụng theo nhiều cách khác nhau. "Siêu tụ dùng carbon hiện đang được sử dụng cho xe buýt điện, nguồn điện dự phòng cho xe tải và trong các điện thoại di động để cấp nguồn cho đèn flash cùng rất nhiều ứng dụng khác", theo Kaner, ông cũng cho biết phòng thí nghiệm của mình tại UCLA hiện đang tìm đối tác để sản xuất siêu tụ graphene ở quy mô công nghiệp.
Vậy siêu tụ khi nào sẽ thay thế pin? Thật không may, Kaner cho rằng điều đó chưa thể sớm xảy ra. Thiết bị tiêu dùng luôn cố nhồi nhét ngày càng nhiều năng lượng hơn vào trong một không gian nhỏ, điều này có nghĩa các siêu tụ sẽ cần phải được chế tạo nhỏ hơn nữa và duy trì nguồn năng lượng trong thời gian dài hơn. Tin mừng, tại Phòng Thí nghiệm Berkeley các nhà nghiên cứu đang phát triển chất điện phân mới để tăng khả năng lưu trữ cho loại vi siêu tụ của mình, đồng thời nghiên cứu cách thức cho phép sạc lên đến cả triệu lần và thời gian sạc chỉ mất vài phút. “Mục tiêu nhắm đến là tăng năng lượng lưu trữ đến mức gần bằng pin”, nhà hóa học John Chmiola nói. Nhiều khả năng siêu tụ sẽ làm việc trong các thiết bị của chúng ta song song với công nghệ pin hiện tại.
Nhờ các nghiên cứu tại UCLA và Berkeley, siêu tụ sẽ được chế tạo nhỏ hơn và rẻ hơn, và có thể một ngày nào đó được sử dụng rộng rãi hơn trong các thiết bị điện tử nhỏ hơn. Vấn đề chỉ là thời gian.
P. NGUYỄN, STINFO Số 12/2013