Các kỹ sư của MIT đã sử dụng một loại vật liệu cổ xưa và dồi dào để tạo ra một "siêu tụ điện" có thể lưu trữ lượng lớn năng lượng. Được chế tạo chỉ từ xi măng, nước và muội than (tương tự như bột than), thiết bị này có thể đóng vai trò là cơ sở cho một hệ thống rẻ tiền để lưu trữ năng lượng tái tạo không liên tục, như năng lượng mặt trời hoặc gió. Nguồn hình ảnh: Được phép của Franz-Josef Ulm, Admir Masic và Yang-Shao Horn
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hai vật liệu này có thể được kết hợp với nước để tạo ra siêu tụ điện (một giải pháp thay thế cho pin) cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng điện. Ví dụ, các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển hệ thống này cho biết, các siêu tụ điện của họ cuối cùng có thể được lắp đặt trong nền bê tông của các ngôi nhà, cho phép chúng lưu trữ lượng điện đủ dùng trong cả ngày mà không phải trả thêm (hoặc trừ) chi phí từ nền móng mà vẫn cung cấp độ bền kết cấu cần thiết. Các nhà nghiên cứu cũng hình dung ra một mặt đường bê tông có thể cung cấp khả năng sạc không tiếp xúc cho xe điện khi chúng đi qua nó.
Các giáo sư Franz-Josef Ulm, Admir Masic và Yang-Shao Horn của MIT, cùng với bốn giáo sư khác tại MIT và Viện Wyss, đã mô tả kỹ thuật đơn giản nhưng sáng tạo này trong một bài báo được xuất bản gần đây trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS).
Về nguyên tắc, tụ điện là một thiết bị rất đơn giản bao gồm hai tấm dẫn điện được nhúng trong chất điện phân, cách nhau bởi một lớp màng mỏng. Khi đặt điện áp vào tụ điện, các ion tích điện dương trong chất điện phân sẽ tập trung trên các bản tích điện âm và các bản tích điện dương sẽ thu thập các ion tích điện âm. Vì màng giữa các bản ngăn cản sự di chuyển của các ion tích điện, nên sự phân tách điện tích sẽ tạo ra một điện trường giữa các bản và tụ điện sẽ được tích điện. Hai tấm có thể giữ cặp điện tích trong thời gian dài và giải phóng chúng nhanh chóng khi cần thiết. Siêu tụ điện là tụ điện có khả năng tích trữ điện tích cực lớn.
Lượng điện mà tụ điện có thể lưu trữ phụ thuộc vào tổng diện tích bề mặt của các tấm dẫn điện của nó. Chìa khóa của siêu tụ điện mới do nhóm nghiên cứu phát triển nằm ở phương pháp sản xuất vật liệu gốc xi măng có diện tích bề mặt bên trong cực cao do có mạng lưới vật liệu dẫn điện dày đặc, liên kết với nhau trong thể tích của nó. Các nhà nghiên cứu đã đạt được điều này bằng cách đưa muội than có tính dẫn điện cao vào hỗn hợp bê tông cùng với bột xi măng và nước rồi để nó đông đặc lại. Khi nước phản ứng với xi măng, nó tự nhiên tạo thành một mạng lưới phân nhánh gồm các lỗ trong cấu trúc và carbon di chuyển vào các khoảng trống này, tạo thành cấu trúc giống như dây trong xi măng cứng.
Những cấu trúc này có cấu trúc giống fractal, với các nhánh lớn hơn phát triển thành các nhánh nhỏ hơn, các nhánh nhỏ hơn phát triển thành các nhánh nhỏ hơn, v.v., cuối cùng tạo ra một diện tích bề mặt khổng lồ trong một thể tích tương đối nhỏ. Vật liệu này sau đó được ngâm trong vật liệu điện phân tiêu chuẩn như kali clorua, một loại muối, chất này tích tụ các hạt tích điện trên cấu trúc carbon. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hai điện cực làm từ vật liệu này cách nhau bởi một lớp không gian mỏng hoặc lớp cách nhiệt có thể tạo ra một siêu tụ điện rất mạnh.
Bởi vì loại bê tông "siêu tụ điện" mới này vẫn giữ được độ bền nên một ngôi nhà có nền móng được xây dựng trên vật liệu này có thể lưu trữ năng lượng trị giá một ngày do các tấm pin mặt trời hoặc cối xay gió tạo ra và sử dụng nó bất cứ khi nào cần thiết. Nguồn hình ảnh: Được phép của Franz-Josef Ulm, Admir Masic và Yang-Shao Horn
Hai bản tụ điện giống như các cực của pin sạc có điện áp tương đương: Giống như pin, năng lượng được lưu trữ trong các bản này khi nối với nguồn điện và sau đó khi nối với tải, dòng điện sẽ chạy ngược lại, cung cấp năng lượng điện.
"Vật liệu này thật hấp dẫn," Masic nói, "bởi vì bạn có vật liệu nhân tạo được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới, xi măng, kết hợp với muội than, một loại vật liệu lịch sử nổi tiếng - các Cuộn sách Biển Chết được viết trong đó. "Bạn có những vật liệu này đã có ít nhất hai nghìn năm tuổi và khi bạn kết hợp chúng theo một cách cụ thể, bạn tạo ra một vật liệu nanocompozit dẫn điện và đó là khi mọi thứ trở nên thực sự thú vị," ông nói. cho biết. Khi hỗn hợp đông đặc, nước được tiêu thụ một cách có hệ thống thông qua các phản ứng hydrat hóa xi măng về cơ bản ảnh hưởng đến các hạt cacbon đen vì chúng kỵ nước (không thấm nước). Quá trình này dễ dàng được nhân rộng trong các vật liệu được sử dụng. Nó rẻ và có thể mua được ở bất kỳ đâu trên thế giới. Lượng cacbon cần thiết để đạt được mạng lưới cacbon hóa là rất nhỏ, chỉ chiếm 3% thể tích của hỗn hợp. thế giới chuyển sang năng lượng tái tạo. Các nguồn năng lượng không phát thải chính - năng lượng gió, mặt trời và thủy triều - được sản xuất vào thời điểm không đều, thường không phù hợp với nhu cầu điện cao điểm, vì vậy cách tích trữ điện là rất quan trọng. "Nhu cầu về các thiết bị lưu trữ năng lượng quy mô lớn là rất lớn. Pin hiện tại quá đắt và chủ yếu dựa vào các vật liệu như lithium, nguồn cung hạn chế, do đó cần có những giải pháp thay thế rẻ hơn." Ulm cho biết: “Đây là nơi công nghệ của chúng tôi rất hứa hẹn vì xi măng có ở khắp mọi nơi”. TA Nhóm nghiên cứu GPH8
đã tính toán rằng một khối bê tông 45 mét khối (hoặc yard) trộn với nanocarbon đen (tương đương với một khối lập phương có đường kính khoảng 3,5 mét) đủ để lưu trữ khoảng 10 kilowatt giờ năng lượng, tương đương với mức tiêu thụ điện trung bình hàng ngày của một hộ gia đình. Bởi vì bê tông vẫn giữ được độ bền nên một ngôi nhà có nền làm bằng vật liệu này có thể lưu trữ lượng điện đủ dùng trong một ngày từ các tấm pin mặt trời hoặc cối xay gió và sẵn sàng sử dụng khi cần thiết. Hơn nữa, siêu tụ điện sạc và xả nhanh hơn nhiều so với pin.
Sau một loạt thử nghiệm để xác định tỷ lệ hiệu quả nhất giữa xi măng, muội than và nước, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các siêu tụ điện nhỏ, có kích thước bằng một số pin nút, đường kính khoảng 1 cm và dày 1 mm. Mỗi cái có thể được sạc đến 1 volt, tương đương với pin 1 volt. Sau đó, họ kết nối ba tế bào này và chứng minh khả năng thắp sáng một đi-ốt phát sáng (LED) 3 volt. Sau khi đã chứng minh được nguyên tắc, giờ đây họ có kế hoạch chế tạo một loạt phiên bản lớn hơn, bắt đầu với một phiên bản có kích thước tương đương với ắc quy ô tô 12 volt thông thường và sau đó mở rộng lên phiên bản 45 mét khối để chứng minh khả năng lưu trữ điện của một ngôi nhà.
Họ phát hiện ra rằng có sự cân bằng giữa khả năng lưu trữ của vật liệu và độ bền kết cấu của nó. Bằng cách bổ sung thêm cacbon đen, siêu tụ điện thu được có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn, nhưng bê tông sẽ yếu hơn một chút, điều này có thể hữu ích trong các ứng dụng mà bê tông không đóng vai trò kết cấu hoặc khi không cần đến cường độ tối đa của bê tông. Họ phát hiện ra rằng đối với các ứng dụng như móng hoặc các bộ phận kết cấu chân đế tuabin gió, "điểm tốt nhất" là khoảng 10% cacbon đen trong hỗn hợp.
Một ứng dụng tiềm năng khác của siêu tụ điện xi măng carbon là xây dựng mặt đường bê tông có thể lưu trữ năng lượng do các tấm pin mặt trời tạo ra ở bên đường và sau đó cung cấp năng lượng cho ô tô điện chạy dọc đường bằng cách sử dụng công nghệ tương tự được sử dụng để sạc điện thoại di động không dây. Các công ty ở Đức và Hà Lan đã phát triển một hệ thống sạc ô tô tương tự nhưng sử dụng pin tiêu chuẩn.
Các nhà nghiên cứu cho biết ứng dụng ban đầu của công nghệ này có thể là ở những ngôi nhà, tòa nhà hoặc nơi trú ẩn biệt lập không có lưới điện, có thể được cung cấp năng lượng từ các tấm pin mặt trời gắn với siêu tụ điện xi măng.
Hệ thống có khả năng mở rộng cao vì khả năng lưu trữ năng lượng là hàm trực tiếp của thể tích điện cực. Ulm cho biết: “Có thể mở rộng quy mô từ các điện cực dày 1 mm đến các điện cực dày 1 mét và bằng cách đó, về cơ bản, bạn có thể mở rộng khả năng lưu trữ năng lượng từ việc thắp sáng một đèn LED trong vài giây đến cung cấp năng lượng cho toàn bộ ngôi nhà”.
Có thể điều chỉnh hệ thống bằng cách điều chỉnh hỗn hợp tùy thuộc vào các đặc tính cần thiết cho một ứng dụng cụ thể. Đối với đường sạc ô tô, yêu cầu tốc độ sạc và xả rất nhanh, trong khi đối với nguồn điện gia đình thì phải sạc cả ngày nên có thể sử dụng vật liệu sạc chậm hơn.
Vì vậy, đây thực sự là một loại vật liệu đa năng. Ngoài việc lưu trữ năng lượng dưới dạng siêu tụ điện, hỗn hợp bê tông tương tự còn có thể được sử dụng làm hệ thống sưởi ấm bằng cách truyền điện qua bê tông chứa carbon.
Ulm coi đây là "một cách nhìn mới về tương lai của bê tông như một phần của quá trình chuyển đổi năng lượng".