Các nhà khoa học Trung Quốc vừa đạt được một bước tiến lớn trong công nghệ lưu trữ năng lượng điện môi, khi rút ngắn thời gian sản xuất linh kiện tụ điện từ vài phút, thậm chí hàng giờ, xuống chỉ 1 giây.
Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí Science Advances ngày 14/11, nhóm tác giả thuộc Viện Nghiên cứu Kim loại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cho biết họ đã phát triển một kỹ thuật “ủ chớp nhoáng” có thể nung và làm nguội vật liệu với tốc độ lên đến 1.000 độ C mỗi giây. Chỉ bằng một cuộn dây đồng cảm ứng điện từ để làm nóng tức thời, sau đó nhúng ngay vào nitơ lỏng để làm lạnh, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra màng tinh thể hoàn chỉnh trên tấm wafer silicon trong thời gian ngắn hơn cả một nhịp tim.
Tụ điện điện môi vốn hoạt động bằng cách phân cực lớp vật liệu cách điện nằm giữa hai cực kim loại, cho phép chúng trữ năng lượng và phóng ra dòng điện mạnh trong thời gian cực ngắn. Chính vì đặc tính này, chúng là linh kiện không thể thiếu trong những hệ thống cần công suất bùng nổ, ví dụ radar quân sự, xe điện hybrid, thiết bị laser công suất cao hay các vũ khí năng lượng định hướng.
Trong nhiều thập kỷ, giới nghiên cứu vẫn gặp phải hạn chế là thời gian sản xuất màng tinh thể điện môi quá dài, từ vài phút nếu dùng lò nung nhanh đến cả giờ đồng hồ với phương pháp truyền thống. Không chỉ chậm, các kỹ thuật này còn khó duy trì độ ổn định nhiệt, dễ làm vật liệu bị thoái hóa khi hoạt động ở môi trường khắc nghiệt.
Kỹ thuật siêu nhanh của nhóm Trung Quốc đã giải quyết gần như toàn bộ các vấn đề này. Nhờ việc “khóa đóng băng” mạng tinh thể ở trạng thái năng lượng cao bằng cách làm nguội tức thì, màng điện môi thu được đạt mật độ năng lượng 63,5 joule/cm3, cao hơn rõ rệt so với các phương pháp khác. Đặc biệt, hiệu suất của chúng chỉ suy giảm dưới 3% dù làm việc ở nhiệt độ 250°C, một mức độ ổn định nhiệt mà rất ít vật liệu điện môi hiện nay đạt được.
Theo nhóm nghiên cứu, điều này có ý nghĩa lớn với những thiết bị vận hành trong môi trường khắc nghiệt như xe hybrid thường xuyên tiếp xúc với nhiệt độ trên 140°C, còn các thiết bị thăm dò dầu khí hoạt động ở mức dưới 200°C. Trong lĩnh vực hàng không - vũ trụ, nơi nhiệt độ biến thiên liên tục, loại vật liệu này cũng cho thấy chúng đặc biệt phù hợp.
Mặc dù tụ điện điện môi có ưu điểm vượt trội về khả năng phóng điện nhanh và mật độ công suất cao, chúng vẫn thua pin lithium-ion về mật độ năng lượng. Đây là lý do khiến giới khoa học không ngừng tối ưu hóa cấu trúc tinh thể và độ ổn định nhiệt để thu hẹp khoảng cách. Với phương pháp ủ chớp nhoáng, các nhà khoa học Trung Quốc đã tiến gần hơn đến mục tiêu này.
Điểm quan trọng khác nằm ở khả năng mở rộng quy mô công nghiệp. Nhóm tác giả khẳng định kỹ thuật mới có thể áp dụng trực tiếp lên quy mô wafer, cho phép tích hợp lưu trữ năng lượng điện môi ngay trên chip - một bước quan trọng hướng tới các hệ thống điện tử nhẹ hơn, nhanh hơn và mạnh hơn.
Nhờ thời gian sản xuất chỉ một giây, chi phí giảm mạnh và độ bền vật liệu vượt trội, nghiên cứu này được xem là một trong những bước tiến đáng chú ý nhất của lĩnh vực tụ điện điện môi trong nhiều năm trở lại đây. Nó không chỉ hứa hẹn thúc đẩy hiệu suất xe điện, radar hay laser công suất cao, mà còn có thể đặt nền móng cho những hệ thống vũ khí năng lượng định hướng, một lĩnh vực đang được các cường quốc ráo riết theo đuổi.
Vu Lam
Theo SCMP
