Theo Zhenan Bao, giáo sư kỹ thuật hóa tại Đại học Stanford và là tác giả chính của công trình nghiên cứu cho biết, loại vật liệu cacbon mới được thiết kế này có cả hai đặc tính linh hoạt và dễ điều khiển, có dung tích trữ năng lượng lớn, cho phép nâng hiệu suất lên mức cao nhất từ trước đến nay trong các pin ắc quy liti-lưu huỳnh và các siêu tụ điện. Đây một cải tiến đáng kể so với loại than hoạt tính thông thường có giá rẻ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm, từ bộ lọc nước, khử mùi không khí đến các thiết bị tích trữ năng lượng.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết, vật liệu cacbon hoạt tính giá rẻ chủ yếu được chế biến từ vỏ dừa. Để kích hoạt cacbon, các nhà sản xuất đốt vỏ dừa ở nhiệt độ cao và sau đó xử lý bằng hóa chất.

Quá trình kích hoạt tạo ra các lỗ xốp kích thước nano, làm tăng diện tích bề mặt của cacbon, cho phép nó xúc tác các phản ứng hóa học nhiều hơn và tích trữ được nhiều điện tích hơn.

Nhưng cacbon hoạt tính có những hạn chế nghiêm trọng, ví dụ như tính liên kết giữa các lỗ xốp rất thấp, điều đó làm hạn chế khả năng truyền điện và không có cách nào để điều khiển tính liên kết giữa các lỗ xốp. Ngoài ra, trong vật liệu cacbon vẫn còn lẫn nhiều tạp chất từ vỏ dừa và nguyên liệu ban đầu. Để sử dụng làm chất khử mùi tủ lạnh có thể dùng than hoạt tính thông thường, nhưng nó không cung cấp hiệu suất đủ cao cho các ứng dụng thiết bị điện tử và tích trữ năng lượng.

Thay vì sử dụng vỏ dừa, Zhenan Bao và các đồng nghiệp đã triển khai một phương pháp mới không tốn kém và không gây ô nhiễm để tổng hợp cacbon chất lượng cao sử dụng các hoá chất và polyme. Quy trình bắt đầu tiến hành bằng việc điều khiển hydrogel, một loại polyme gốc nước có kết cấu xốp tương tự như kính áp tròng mềm. Hợp chất hydrogel polyme tạo thành một khung liên kết không gian ba chiều có tính dẫn điện lý tưởng, theo nhóm nghiên cứu cho biết. Mạng này có chứa cả các phân tử hữu cơ và các nguyên tử chức năng như nitơ, cho phép điều chỉnh các thuộc tính điện tử của cacbon.

Trong công trình nghiên cứu, nhóm nghiên cứu Stanford đã sử dụng một quy trình cacbon hóa và kích hoạt nhẹ để chuyển đổi cấu trúc khung hữu cơ polyme thành tấm cacbon có độ dày kích cỡ nanomet.

Các tấm cacbon tạo thành một mạng 3-D có tính liên kết lỗ xốp và dẫn điện cao. Hydroxide kali được bổ sung để kích hoạt hóa học các tấm cacbon và tăng diện tích bề mặt. Kết quả thu được là một loại vật liệu cacbon được thiết kế có thể tinh chỉnh cho các ứng dụng khác nhau.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết có thể điều chỉnh được thành phần hóa học, kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt của vật liệu chỉ đơn giản bằng cách thay đổi chủng loại polyme và các liên kết hữu cơ, hoặc bằng cách điều chỉnh lượng nhiệt áp dụng trong quá trình chế tạo. Ví dụ, nâng nhiệt độ điều chế từ 750 độ F (400 độ C) lên 1.650 độ F (900 độ C) làm tăng 10 lần dung tích lỗ rỗng.

Việc xử lý tiếp theo sẽ cho ra vật liệu cacbon với diện tích bề mặt cao kỷ lục, đạt 4073 mét vuông trên gram - tương đương với việc nén ba sân bóng đá của Mỹ vào một aoxơ cacbon. Trong khi diện tích bề mặt tối đa có thể đạt được đối với than hoạt tính thông thường là khoảng 3.000 mét vuông trên mỗi gram.

Diện tích bề mặt cao là điều thiết yếu đối với nhiều ứng dụng, trong đó có xúc tác điện, tích trữ năng lượng và thu giữ khí thải dioxit cacbon từ các nhà máy và nhà máy điện.

Để thử nghiệm hiệu suất của vật liệu mới trong điều kiện thực tế, nhóm nghiên cứu Stanford đã chế tạo các điện cực bọc cacbon và lắp đặt chúng trong pin lithi-lưu huỳnh và siêu tụ điện. Đối với các siêu tụ điện, vật liệu cacbon lý tưởng có một diện tích bề mặt cao để lưu trữ điện tích, tính dẫn cao để vận chuyển electron và cấu trúc lỗ xốp thích hợp cho phép các iôn di chuyển nhanh từ dung dịch điện phân đến bề mặt cacbon.

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã cho một dòng điện dẫn qua các siêu tụ điện có các điện cực bằng vật liệu cacbon thiết kế. Kết quả cho thấy tính dẫn điện tăng cao hơn gấp ba lần so với các điện cực của siêu tụ điện bằng than hoạt tính thông thường. Ngoài ra, cacbon thiết kế cũng tăng được công suất hữu dụng và sự ổn định của các điện cực.

Các thử nghiệm cũng đã được tiến hành với các pin lithi-lưu huỳnh, một công nghệ đầy  triển vọng nhưng hiện đang có một nhược điểm quan trọng, đó là khi liti và lưu huỳnh tham gia phản ứng, chúng sản sinh ra các phân tử polysulfide lithium, các phân tử này có thể bị rò rỉ ra từ các điện cực vào chất điện phân và làm cho pin bị hỏng.

Nhóm nghiên cứu Stanford phát hiện ra rằng các điện cực được chế tạo từ vật liệu cacbon thiết kế có thể bẫy các phân tử polysulfides và cải thiện hiệu suất của pin. Có thể dễ dàng thiết kế điện cực với lỗ xốp rất nhỏ cho phép các ion lithi khuếch tán vào carbon nhưng ngăn chặn các phân tử polysulfides bị trôi ra ngoài. Theo các nhà nghiên cứu cho biết quy trình chế tạo loại vật liệu cacbon thiết kế này khá đơn giản, tương đối rẻ và đáp ứng tất cả các yêu cầu đối với điện cực hiệu suất cao.