Sắp tới đây, công tác nghiên cứu các bộ tụ điện sử dụng cho xe hơi hybrid, phương tiện chạy điện (EV), năng lượng dự trữ cho máy tính và thiết bị trợ tim sẽ được đẩy mạnh nhờ một nguồn tài trợ đến 2,25 triệu USD. Giáo sư Gerhard Welsch, người đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế tụ điện của mình sẽ sử dụng nguồn kinh phí này để hoàn tất phát triển một loại tụ điện nhỏ, nhẹ, mạnh mẽ và an toàn, hứa hẹn sẽ có mật độ năng lượng tập trung gấp 10 lần các loại tụ điện hiện có.
Welsch hiện là giáo sư khoa khoa học vật liệu và kỹ thuật thuộc đại học Case Western Reserve. Ông đã nhận được nguồn tài trợ 2,25 triệu USD từ cơ quan quản lý các dự án nghiên cứu cao cấp - mảng năng lượng (Advance Research Projects Agency - Energy hay ARPA-E).
ARPA-E đặc biệt chú ý đến công nghệ tụ điện dành cho xe hybrid và EV bởi pin thông thường không thể cung cấp hay hấp thụ năng lượng nhanh bằng tụ điện. Giáo sư Welsch cho biết: "Các phương tiện chạy điện cần một bộ đổi pha để chuyển năng lượng từ pin hay ắc-quy thành nguồn điện xoay chiều sử dụng cho mô-tơ điện và để thu lại lực hãm." Tuy nhiên, tụ điện sẽ loại bỏ vai trò của các bộ đổi pha bởi chúng có thể cung cấp nguồn năng lượng đã lưu với điện thế cao.
Tụ điện của Welsch sử dụng một hợp kim titan có cấu trúc rất tinh vi làm cực dương, qua đó tạo ra một bề mặt thể tích lớn cho phép tăng dung lượng và mật độ năng lượng. Cụ thể, cấu trúc cực dương gồm nhiều lỗ rỗng được thiết lập trên một "xương sống" với nhiều nhánh tỏa ra xung quanh để tăng diện tích bề mặt. Một lớp titan oxit sẽ tạo ra màng ngăn đóng vai trò là điện môi để phân tách các điện tích dương/âm ở một điện thế nhất định, do đó chúng có khả năng giữ lại năng lượng. Cuối cùng, một lớp lớp điện giải dẫn ion và một lớp kim loại cacbon hoặc titan sẽ đóng vai trò là cực âm.
Welsch cho biết: "Một tụ điện tương tương với một thùng nén electron và điều cốt yếu là tạo ra một lớp màng điện môi (hay vách ngăn của thùng nén) thật cứng, càng hoàn hảo càng tốt để các electron không thể xuyên qua. Thực ra khó có thể làm cho nó hoàn hảo nhưng chúng tôi có thể tạo ra một vật liệu gần như vậy."
Ngoài ra, Welsch cũng hướng đến sử dụng tụ điện của mình trong một thiết bị khử rung tim cấy ghép thu nhỏ với khả năng cảm nhận sự co bóp không điều hòa của tim và kích thích các cơ với một xung điện từ pin để đưa tim trở lại nhịp đập bình thường.
Hiện tại Welsch đang hợp tác với giáo sư kỹ thuật hóa học Chung-Chiun Liu và giáo sư khoa học máy tính và điện tử Frank Merat để hoàn tất thiết kế tụ điện. Dự tính sản phẩm đầu tiên sẽ được ra mắt trên thị trường vào 3 năm nữa.
ARPA-E đặc biệt chú ý đến công nghệ tụ điện dành cho xe hybrid và EV bởi pin thông thường không thể cung cấp hay hấp thụ năng lượng nhanh bằng tụ điện. Giáo sư Welsch cho biết: "Các phương tiện chạy điện cần một bộ đổi pha để chuyển năng lượng từ pin hay ắc-quy thành nguồn điện xoay chiều sử dụng cho mô-tơ điện và để thu lại lực hãm." Tuy nhiên, tụ điện sẽ loại bỏ vai trò của các bộ đổi pha bởi chúng có thể cung cấp nguồn năng lượng đã lưu với điện thế cao.
Tụ điện của Welsch sử dụng một hợp kim titan có cấu trúc rất tinh vi làm cực dương, qua đó tạo ra một bề mặt thể tích lớn cho phép tăng dung lượng và mật độ năng lượng. Cụ thể, cấu trúc cực dương gồm nhiều lỗ rỗng được thiết lập trên một "xương sống" với nhiều nhánh tỏa ra xung quanh để tăng diện tích bề mặt. Một lớp titan oxit sẽ tạo ra màng ngăn đóng vai trò là điện môi để phân tách các điện tích dương/âm ở một điện thế nhất định, do đó chúng có khả năng giữ lại năng lượng. Cuối cùng, một lớp lớp điện giải dẫn ion và một lớp kim loại cacbon hoặc titan sẽ đóng vai trò là cực âm.
Welsch cho biết: "Một tụ điện tương tương với một thùng nén electron và điều cốt yếu là tạo ra một lớp màng điện môi (hay vách ngăn của thùng nén) thật cứng, càng hoàn hảo càng tốt để các electron không thể xuyên qua. Thực ra khó có thể làm cho nó hoàn hảo nhưng chúng tôi có thể tạo ra một vật liệu gần như vậy."
Ngoài ra, Welsch cũng hướng đến sử dụng tụ điện của mình trong một thiết bị khử rung tim cấy ghép thu nhỏ với khả năng cảm nhận sự co bóp không điều hòa của tim và kích thích các cơ với một xung điện từ pin để đưa tim trở lại nhịp đập bình thường.
Hiện tại Welsch đang hợp tác với giáo sư kỹ thuật hóa học Chung-Chiun Liu và giáo sư khoa học máy tính và điện tử Frank Merat để hoàn tất thiết kế tụ điện. Dự tính sản phẩm đầu tiên sẽ được ra mắt trên thị trường vào 3 năm nữa.
