Nếu vật liệu này có thể được mở rộng quy mô từ các mẫu trong phòng thí nghiệm, các tụ điện được làm từ vật liệu này có thể vượt qua các tụ điện truyền thống trong các ứng dụng trong đẩy điện từ, xe điện và máy khử rung.

Vật liệu mới gồm một màng mỏng sol-gel silica chứa các nhóm có cực liên kết với các nguyên tử silic và một lớp đơn phân tử tự lắp ráp axit octylphosphonic kích thước nano có các tính chất cách điện. Cấu trúc lớp kép này ngăn chặn việc đưa các điện tử vào vật liệu sol-gel, tạo ra dòng có độ rò thấp, độ phân hủy cao và hiệu suất chiết xuất năng lượng cao.

“Sol-gel với các nhóm hữu cơ cũng như các axit béo như axit phosphonic đã được biết rõ”, GS. Joseph Perry đến từ Trường Hóa và Sinh hóa tại Viện Công nghệ Georgia lưu ý. “Nhưng theo chúng tôi biết, đây là lần đầu tiên hai loại vật liệu này được kết hợp vào thiết bị tích trữ năng lượng mật độ cao”.

Nhu cầu đối với các loại vật liệu có hiệu suất tích trữ năng lượng cao đang gia tăng cùng với yêu cầu ngày càng tăng về năng lượng điện trong các ứng dụng di động. Vật liệu điện môi có thể sạc xả nhanh có khả năng tích trữ năng lượng cao cho các ứng dụng quốc phòng, y tế và thương mại. Nhưng việc tìm được một loại vật liệu điện môi có thể tối đa hóa hằng số điện môi, độ bền phá vỡ (breakdown strength), mật độ năng lượng và hiệu quả chiết xuất năng lượng là một thách thức lớn.

Perry và các đồng nghiệp tại Trung tâm Quang tử hữu cơ và Thiết bị điện tử của Viện Công nghệ Georgia đã nghiên cứu các vật liệu chế tạo tụ điện khác để đáp ứng những nhu cầu này nhưng họ không hài lòng với những cải thiện về hiệu suất thu được. Vật liệu lai sol-gel cho thấy tiềm năng tích trữ năng lượng điện môi hiệu quả do độ phân cực định hướng cao của chúng dưới một điện trường, do đó, nhóm nghiên cứu đã quyết định theo đuổi những vật liệu này cho các ứng dụng tụ điện mới.

Sử dụng một màng Mylar (thương hiệu cho một loại màng pô-li-ét-xte rất mỏng và bền) tráng nhôm được bọc bằng vật liệu chế tạo tụ điện lai sol-gel, họ cho thấy tụ điện này có thể cuộn lại và tái cuộn lại nhiều lần trong khi vẫn duy trì mật độ năng lượng cao, thể hiện sự linh hoạt của nó. Tuy nhiên, vật liệu có độ rò rỉ dòng điện cao. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu làm lắng đọng một lớp đơn nano axit n-octylphosphonic tự lắp ráp lên trên vật liệu lai sol-gel. Lớp đơn này dày chưa đến một nanomet và đóng vai trò như một lớp cách điện.

“Sol-gel silica của chúng tôi là vật liệu lai bởi vì nó có các nhóm hữu cơ có cực gắn vào khung silica làm cho sol-gel có hằng số điện môi cao, và trong lớp điện môi kép của chúng tôi, các nhóm axit n-octylphosphonic được chèn vào giữa lớp sol-gel và bên trên lớp nhôm để ngăn chặn điện tích đi vào sol-gel”, Perry giải thích. “Đó thực sự là một vật liệu lai hai lớp tận dụng tốt nhất cả sự phân cực định hướng và các phương pháp tiếp cận để giảm điện tích đi vào vật liệu và nâng cao hiệu suất chiết xuất năng lượng”.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh vật liệu mới có mật độ năng lượng có thể khai thác tối đa lên đến 40 joules/cm3, hiệu suất chiết xuất năng lượng là 72% ở cường độ trường 830 volts/micron và mật độ công suất 520 watt/cm3. Hiệu suất này vượt trội so với các tụ điện điện phân thông thường và pin màng mỏng lithi ion, mặc dù nó không phù hợp với các thiết kế của pin lithi ion thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử và xe điện.

Các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Perry đã chế tạo mảng tụ sol-gel nhỏ trong phòng thí nghiệm để biết được hiệu suất của vật liệu. Các thiết bị này được chế tạo trên các chất nền nhỏ có diện tích khoảng một inch vuông.

“Những gì chúng tôi thấy khi chúng tôi đưa một điện trường vào là phản ứng phân cực hành xử một cách tuyến tính”, Perry nói. “Đây là những gì bạn muốn thấy trong một vật liệu điện môi được dùng để chế tạo tụ điện”.

Bước tiếp theo sẽ là mở rộng quy mô vật liệu để xem liệu các tính chất hấp dẫn của nó có chuyển sang các thiết bị lớn hơn không. Nếu thành công, Perry dự kiến sẽ thương mại hóa vật liệu này thông qua một công ty khởi nghiệp hoặc dự án nghiên cứu đổi mới doanh nghiệp nhỏ (SBIR).