“Pin” bê tông mới cung cấp năng lượng mạnh hơn gấp 10 lần

Bê tông từ lâu là vật liệu xây dựng nên các tòa nhà, thành phố, nhưng các nhà khoa học hiện còn coi bê tông – được cho là vật liệu xây dựng phổ biến nhất hành tinh – là nguồn năng lượng của tương lai. Trong vài năm qua, các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu để cải tiến bê tông nhằm mục đích lưu trữ năng lượng.

Năm 2023, nhóm nghiên cứu tại Viện công nghệ Massachusetts (MIT), tìm ra cách kết hợp xi măng, nước, muội than siêu mịn, chất điện phân để tạo ra một “siêu tụ điện”. Đó là một dạng bê tông carbon dẫn điện (còn gọi là ec³), có thể lưu trữ và giải phóng điện. Bên trong, nó tạo thành mạng lưới nano dẫn điện có khả năng lưu trữ năng lượng.

Hiện nay, nghiên cứu mới nhất của MIT cho thấy mật độ năng lượng trong ec³ tăng gần 10 lần. Nếu như năm 2023, để đáp ứng nhu cầu điện năng hằng ngày của một hộ gia đình, cần 45 mét khối ec³. Giờ đây, với phiên bản mới, chỉ cần khoảng 5 mét khối ec³, tương đương kích thước một bức tường thông thường, để lưu trữ cùng một lượng năng lượng.

Trước đây, nhóm MIT tạo ra ec³ bằng cách, xử lý hỗn hợp bê tông với muội than dẫn điện cao, bột xi măng và nước; sau đó, vật liệu được ngâm trong chất điện phân như clorua kali, cung cấp các hạt tích điện tích tụ trên cấu trúc carbon. Hai điện cực làm từ bê tông đặc biệt này, ngăn cách bởi khoảng trống mỏng hoặc lớp cách điện, tạo thành siêu tụ điện có thể lưu trữ năng lượng.

Để cải thiện mật độ năng lượng của ec³, nhóm nghiên cứu áp dụng chụp cắt lớp FIB-SEM để chụp ảnh 3D độ phân giải cao từng lớp vật liệu, nhằm tìm hiểu nanocarbon đen hoạt động bên trong vật liệu. Họ phát hiện nanocarbon đen tạo thành mạng lưới giống như fractal xung quanh các lỗ rỗng. Điều này cho phép chất điện phân thẩm thấu và dòng điện chạy qua.

Sau đó, nhóm nghiên cứu thử nghiệm một số chất điện phân khác nhau để tìm ra lựa chọn khả thi cho ec³. Họ chọn chất điện phân hữu cơ kết hợp muối amonium bậc 4 với chất lỏng dẫn điện phổ biến là acetonitrile. Lợi ích lớn nhất đến từ chất điện phân này, một mét khối ec³ có thể lưu trữ hơn 2 kWh. Con số này đủ để chạy một tủ lạnh trong một ngày.

Lấy cảm hứng từ kiến ​​trúc La Mã cổ đại, các nhà nghiên cứu xây dựng một vòm ec³ kích thước nhỏ để chứng minh khả năng chịu tải kết cấu và lưu trữ năng lượng của ec³. Nó vừa chịu được trọng lượng, đồng thời cung cấp năng lượng cho một đèn LED, hoạt động ở mức 9V. Khi chịu áp lực, đèn sẽ nhấp nháy.

Tiến bộ mới nhất của MIT đang hướng tới các vai trò lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Việc tạo ra các loại pin lớn hơn, đa dạng hơn là rất quan trọng cho một tương lai phụ thuộc vào năng lượng sạch, vì chúng ta cần nhiều cách khác nhau để thu và giải phóng năng lượng.

Nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng mặc dù hầu hết loại pin thương mại đều có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với ec³. Nhưng đây có thể là những bước đầu tiên hướng tới việc tái thiết một vật liệu phổ biến như bê tông, làm cho nó hữu ích hơn rất nhiều.