Pin cấu trúc sợi carbon được phát triển tại Đại
học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển (Ảnh: Đại học Charmlers)
Xe điện phụ thuộc rất nhiều vào những gói pin lithium-ion lớn
để đi được quãng đường dài. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers tự
hỏi liệu họ có thể chế tạo một loại pin có chức năng kép vừa là vật liệu chịu tải
kết nối các thành phần lại với nhau và vừa giảm bớt được trọng lượng hay không.
Là một phần trong công trình nghiên cứu về cái mà họ gọi là
“phương tiện lưu trữ năng lượng không khối lượng”, nhóm nghiên cứu ở Thụy Điển
đã phát triển một loại pin làm từ vật liệu composite sợi carbon. Vật liệu hứa hẹn
sở hữu độ cứng tương tự như nhôm, đồng thời có khả năng lưu trữ một lượng năng
lượng kha khá, đủ để sử dụng trong thương mại.
Tất nhiên, sợi carbon cực kỳ nhẹ, bền và cứng và do đó, là
vật liệu phổ biến kết cấu và ngoại thất trong xe hiệu suất cao, mặc dù đắt tiền,
cũng như là vật liệu quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, nơi cắt
giảm mỗi gram trọng lượng đều có ý nghĩa.
Nhưng sợi carbon cũng có thể đóng vai trò là vật liệu điện
cực hiệu quả khi được chế tạo bằng phương pháp điện hóa cho mục đích đó. Nhóm
nghiên cứu Đại học Chalmers do Giáo sư Leif Asp đứng đầu đã nghiên cứu về vấn đề
này trong nhiều năm, ban đầu đã công bố một nghiên cứu chứng minh tính chất này
của sợi carbon với việc sắp xếp tinh thể cụ thể vào năm 2018.
Các nhà nghiên cứu Zhenyuan Xia,
Richa Chaudhary và Giáo sư Leif Asp đã nghiên cứu về khái niệm lưu trữ năng lượng
không khối lượng này trong nhiều năm (Đại học Công nghệ Chalmers | Henrik
Sandsjo)
Thiết kế pin mới có mật độ năng lượng là 30 Wh/kg, chưa phải
là tốt theo tiêu chuẩn ô tô. Để tham khảo, bộ pin 53 kWh trong Hyundai Ioniq 6 đạt
mật độ 153 Wh/kg.
Nhưng đó là mật độ năng lượng của một gói pin nằm trong hộp;
bạn phải cộng thêm trọng lượng của toàn bộ khung gầm kết cấu của xe để có thể
so sánh công bằng, vì loại pin kết cấu sợi carbon này được thiết kế để thay thế
toàn bộ khung, giúp giảm đáng kể trọng lượng của toàn bộ xe, đồng thời giải
phóng không gian.
Các nhà sản xuất thiết bị và xe điện có thể làm bất cứ điều
gì họ muốn với phương trình mới này, hoặc là hướng đến những sản phẩm nhẹ hơn
đáng kể hoặc lấp đầy không gian được giải phóng bằng nhiều cell pin hơn để tăng
khả năng lưu trữ năng lượng tổng thể.
Kết quả có thể mang tính cách mạng trong thực tế. “Chúng
tôi đã thực hiện các phép tính trên ô tô điện cho thấy chúng có thể chạy xa hơn
tới 70% so với hiện nay nếu chúng có pin cấu trúc cạnh tranh”, Asp cho biết.
Nguyên mẫu mới nhất của nhóm cứng hơn gần gấp 3 lần so với
các phiên bản trước, với mô đun đàn hồi là 70 gigapascal, tăng từ mức 25 gigapascal.
Nhóm nghiên cứu cho biết hiện tại vật liệu cứng và có khả năng chịu trọng lượng
ngang nhôm nhưng trọng lượng nhẹ hơn rất nhiều.
Có gì bên trong pin?
Thiết kế pin sử dụng sợi carbon ở cả cực dương và cực âm,
nơi nó cũng đóng vai trò là vật liệu gia cố và bộ thu dòng điện. Điều đó loại bỏ
nhu cầu về bộ thu dòng điện làm bằng vật liệu nặng như đồng, cũng như các kim
loại xung đột như coban trong thiết kế điện cực.
Ngoài ra, pin này sử dụng chất điện phân bán rắn thay vì chất
lỏng để di chuyển các ion lithium giữa các cực của nó. Do đó, nó ít bắt lửa hơn
và an toàn hơn khi sử dụng - mặc dù nhóm nghiên cứu thừa nhận vẫn còn một số vấn
đề trong việc vận chuyển ion qua chất điện phân đủ nhanh cho các ứng dụng công
suất lớn. Vấn đề này cần nghiên cứu sâu hơn.
Dĩ nhiên, đây vẫn là một loại pin phòng thí nghiệm khác, và
như vậy, những chiếc EV và thiết bị thế hệ tiếp theo này vẫn còn cách xa ít năm
nữa nhưng việc sản xuất hàng loạt và thương mại hóa đang được tiến hành.
Quay trở lại năm 2022, trường đại học đã hợp tác với công
ty VC Chalmers Ventures có trụ sở tại Gothenburg để thành lập một công ty mới
có tên là Sinonus. Công ty đã bổ nhiệm một CEO mới hồi tháng 6 để thúc đẩy sứ mệnh
thương mại hóa lưu trữ năng lượng không khối lượng, với mục đích thay đổi cách
chúng ta chế tạo ô tô, đồ dùng và thậm chí cả cánh tua bin gió.
Asp chia sẻ: “Người ta có thể tưởng tượng rằng những chiếc điện
thoại di động mỏng như thẻ ATM hay laptop chỉ nặng bằng một nửa laptop hiện là
thứ gần hiện thực nhất. Cũng có thể các thành phần như thiết bị điện tử trong ô
tô hoặc máy bay được cung cấp năng lượng bằng pin cấu trúc. Sẽ cần đầu tư lớn để
đáp ứng nhu cầu năng lượng đầy thách thức của ngành vận tải, nhưng đây cũng là
nơi công nghệ có thể tạo ra sự khác biệt lớn nhất”.
LH (New Atlas)