Bang Kentucky, Hoa Kỳ, là nơi sản xuất 95% lượng rượu bourbon của thế giới và tất cả lượng rượu bourbon đó đều để lại một lượng lớn bã chưng cất, được gọi là bã rượu. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Kentucky phát triển một quy trình để biến bã rượu đó thành điện cực.
Josiel Barrios Cossio, một nghiên cứu sinh, lần đầu tiên biết đến quy mô vấn đề chất thải trong ngành sản xuất rượu whisky khi đang thực tập nghiên cứu về các vấn đề thực phẩm, năng lượng và nước ở Kentucky. Từ lượng rượu bourbon thành phẩm, có thể thu được lượng bã chưng cất gấp 6 đến 10 lần lượng rượu đó, Barrios Cossio cho biết.
Bã chưng cất này là hỗn hợp sền sệt, thường được bán cho nông dân làm thức ăn chăn nuôi hay làm phụ gia cho đất. Nhưng nó khó vận chuyển khi còn ướt và việc làm khô khá tốn kém. Một giải pháp khác là chuyển đổi trực tiếp bã rượu này thành vật liệu carbon có giá trị, bằng kỹ thuật carbon hóa thủy nhiệt, tương tự như nấu ở áp suất cao.
Nhóm nghiên cứu quan tâm đến vật liệu carbon vì chúng là vật liệu làm điện cực tốt cho siêu tụ điện, một loại thiết bị lưu trữ năng lượng. Quá trình carbon hóa thủy nhiệt có thể cung cấp vật liệu từ chất thải thực vật, như bã rượu bourbon, để chế tạo các điện cực này.
Vì vậy, Barrios Cossio và Marcelo Guzman, một nhà hóa học tại Đại học Kentucky và là người đứng đầu dự án, đã bắt tay vào việc chuyển đổi chất thải từ các nhà máy chưng cất rượu ở địa phương thành điện cực cho siêu tụ điện.
Nhóm nghiên cứu biến bã rượu ẩm ướt thành loại bột đen mịn, bằng cách xử lý chất thải bằng nhiệt và áp suất trong một lò phản ứng 10 lít. Ở đó, bột đen được nung nóng, ví dụ, đến 200 độ C trong lò nung, hoặc nung riêng để tạo thành carbon cứng, hoặc nung với kali hydroxit đến 800 độ C để tạo thành than hoạt tính.
Carbon cứng giống như than chì nhưng các tấm carbon xếp chồng lên nhau không gọn gàng, điều này làm cho nó lý tưởng để hấp thụ nhiều ion lithium hơn, giúp tăng khả năng lưu trữ năng lượng. Than hoạt tính cực kỳ xốp, nghĩa là nó có thể lưu trữ một lượng lớn điện tích, đó là năng lượng, trong diện tích bề mặt lớn của nó.
Để chứng minh tính khả thi của ý tưởng, nhóm nghiên cứu chế tạo tụ điện hai lớp, đưa chất điện phân lỏng vào giữa hai điện cực than hoạt tính. Trong các thử nghiệm, siêu tụ điện có kích thước bằng đồng xu, có thể lưu trữ tới 48 watt giờ trên mỗi kilogram, tương đương các thiết bị thương mại hiện có.
Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm với siêu tụ điện lithium-ion lai, được thiết kế để dung hòa giữa tốc độ xả nhanh của tụ điện và khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn của pin. Vì vậy, họ chế tạo thiết bị với một điện cực than hoạt tính kiểu tụ điện và một điện cực carbon cứng kiểu pin, cả hai đều tích hợp ion lithium.
Siêu tụ điện chế tạo từ phế liệu gốc bã rượu này, lưu trữ năng lượng gấp 25 lần trên mỗi kilogram so với các phiên bản thông thường. Siêu tụ điện lithium-ion cũng là ví dụ mới về việc sử dụng một nguồn nguyên liệu nông nghiệp cho hai điện cực khác nhau trong cùng một thiết bị.
Các bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu là nghiên cứu cơ chế lưu trữ năng lượng của siêu tụ điện có nguồn gốc từ bã rượu để tối ưu hóa chúng cho việc thương mại hóa. Mục tiêu của họ là phát triển các phiên bản siêu tụ điện lớn hơn, để một ngày nào đó, công nghệ này có thể giúp ổn định lưới điện khi ngày càng nhiều nguồn năng lượng tái tạo được tích hợp.
Trước mắt, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành phân tích vòng đời, cũng như đánh giá tính khả thi về kinh tế và công nghệ để đánh giá tính bền vững của việc chuyển đổi chất thải từ nhà máy chưng cất rượu thành thiết bị lưu trữ năng lượng. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ và Đại học Kentucky.
