Trong kỷ nguyên thiết bị điện tử siêu nhỏ, việc cung cấp năng lượng nhanh và đủ dung lượng là một thách thức lớn.
Pin truyền thống có khả năng tích trữ năng lượng cao nhưng sạc và xả chậm, trong khi các siêu tụ điện (supercapacitors) sạc xả cực nhanh nhưng chứa ít năng lượng. Ở quy mô vi mạch, cả microbatteries và microsupercapacitors đều gặp phải những hạn chế tương tự như phiên bản lớn hơn, khiến việc cân bằng giữa tốc độ và dung lượng trở thành nhu cầu cấp thiết.
Các nhà nghiên cứu từ University College London đã phát triển một loại thiết bị lai mới gọi là zinc-ion micro-capacitor (ZIMC), kết hợp ưu điểm của microbatteries và microsupercapacitors. Thiết bị này có thể cung cấp năng lượng nhanh chóng và duy trì dung lượng hợp lý, thích hợp cho các thiết bị nhỏ gọn như thiết bị đeo, cảm biến IoT, và các cấy ghép y tế.
Cấu trúc của ZIMC dựa trên các điện cực ba chiều dạng răng lược, làm từ vàng siêu mỏng. Kỹ thuật “dynamic bubbling electrodeposition” tạo ra bề mặt xốp, tăng diện tích tiếp xúc giữa điện cực và vật liệu hoạt động. Phía anode của thiết bị lưu trữ năng lượng thông qua quá trình plating và stripping của ion kẽm, giống pin, còn cathode hoạt động như tụ điện với sự kết hợp của carbon hoạt tính và polymer dẫn điện PEDOT, cho phép xả năng lượng cực nhanh.
Nhờ cấu trúc xốp, ion di chuyển dễ dàng, giúp thiết bị vừa lưu trữ năng lượng tốt, vừa đạt tốc độ sạc xả cao. ZIMC đạt tuổi thọ lên tới hàng nghìn chu kỳ sạc xả, tốc độ sạc xả nhanh hơn microsupercapacitors, nhưng không đạt dung lượng cao như microbatteries. Thiết bị cũng có kích thước rất nhỏ, chỉ 0,4 cm², và có khả năng mở rộng xuống vài trăm micromet.
So với các thiết bị lai lithium hay sodium, ZIMC an toàn hơn và bền bỉ hơn, đồng thời có thể sản xuất trực tiếp trên chip với quy trình đơn giản. Điều này mở ra cơ hội tích hợp thiết bị vào các hệ thống vi mạch, giảm kích thước và tăng tính linh hoạt trong thiết kế.
Các thách thức hiện tại bao gồm chi phí vật liệu, đặc biệt là vàng dùng làm điện cực, và hiệu suất khi thiết bị bị uốn cong hoặc chịu tác động cơ học. Nhóm nghiên cứu đang tìm cách thay thế vàng bằng vật liệu rẻ hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất, đồng thời tối ưu hóa thiết kế điện cực để nâng cao năng lượng lưu trữ.
Siêu tụ điện vi mô kẽm đại diện cho một bước tiến quan trọng trong công nghệ lưu trữ năng lượng mini. Thay vì phải chọn giữa tốc độ và dung lượng, ZIMC mang đến giải pháp cân bằng, hứa hẹn trở thành nền tảng năng lượng cho các thiết bị siêu nhỏ của tương lai.
