Pin cấu trúc sợi carbon đa chức năng được phát triển thành công! Dự kiến sẽ tăng phạm vi hoạt động của xe điện thêm 70%.
Khi ô tô, máy bay, tàu thủy hoặc máy tính được chế tạo bằng vật liệu có thể đóng vai trò vừa là pin vừa là kết cấu chịu lực, trọng lượng và mức tiêu thụ năng lượng của chúng sẽ giảm đáng kể. Theo một bài báo đăng trên số ra ngày 10 mới nhất củaVật liệu tiên tiến, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển đã đạt được tiến bộ trong việc “lưu trữ năng lượng không khối lượng” và phát triển một loại pin cấu trúc sợi carbon đa chức năng. Loại pin này có thể giảm một nửa trọng lượng của máy tính xách tay, làm cho điện thoại thông minh mỏng như thẻ tín dụng hoặc tăng phạm vi hoạt động của xe điện thêm 70% trong một lần sạc.
Ricardo Chaudhry, nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers, cho biết cấu trúc pin mà họ phát triển được làm từ vật liệu tổng hợp sợi carbon, có độ cứng tương đương với nhôm và mật độ năng lượng đủ cho ứng dụng thương mại. Pin cấu trúc là vật liệu vừa có thể lưu trữ năng lượng vừa chịu tải. Việc biến vật liệu pin trở thành một phần không thể thiếu trong cấu trúc thực tế của sản phẩm có nghĩa là các sản phẩm như xe điện, máy bay không người lái, công cụ cầm tay, máy tính xách tay và điện thoại thông minh có thể giảm trọng lượng.
Xe điện chủ yếu phụ thuộc vào pin lithium-ion lớn để di chuyển đường dài. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers muốn xem liệu họ có thể tạo ra loại pin đóng vai trò là vật liệu chịu tải để giữ xe lại với nhau đồng thời giảm trọng lượng hay không. Là một phần của dự án "lưu trữ năng lượng không khối lượng", nhóm nghiên cứu Thụy Điển đã phát triển loại pin làm từ vật liệu tổng hợp sợi carbon. Loại pin này có độ cứng tương tự như nhôm và có thể lưu trữ một lượng năng lượng đáng kể nên phù hợp cho mục đích sử dụng thương mại.
Pin sợi carbon dự kiến sẽ lưu trữ năng lượng và hỗ trợ tải tương tự như pin nhôm.
Thật vậy, sợi carbon nổi tiếng với trọng lượng nhẹ, độ bền cao và độ cứng cao đáng kinh ngạc, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong vật liệu kết cấu và thẩm mỹ của các phương tiện hiệu suất cao. Mặc dù có giá thành cao nhưng nó cũng là vật liệu quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, nơi mỗi gram đều có giá trị. Tuy nhiên, nếu được thiết kế bằng kỹ thuật điện hóa cho mục đích này, nó cũng có thể đóng vai trò là vật liệu điện cực hiệu quả. Được dẫn dắt bởi Giáo sư Leif Asp, nhóm Chalmers đã nghiên cứu lĩnh vực này trong nhiều năm và công bố một nghiên cứu vào năm 2018 lần đầu tiên chứng minh đặc tính này của sợi carbon với sự sắp xếp tinh thể cụ thể.
Các nhà nghiên cứu Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry và Giáo sư Leif Asp đã nghiên cứu khái niệm lưu trữ năng lượng không khối lượng trong nhiều năm.
Mật độ năng lượng của thiết kế pin mới là 30 Wh/kg, không đặc biệt cao theo tiêu chuẩn ô tô. Để tham khảo, mật độ năng lượng định mức của bộ pin 53 kWh của Hyundai Ioniq 6 là 153 Wh/kg (PDF). Tuy nhiên, con số này chỉ thể hiện mật độ năng lượng của bộ pin được đặt trong hộp; để so sánh công bằng thì cũng phải xét đến trọng lượng của toàn bộ kết cấu xe. Thiết kế của loại pin kết cấu sợi carbon này nhằm mục đích thay thế toàn bộ khung xe, giảm trọng lượng tổng thể của xe đồng thời giải phóng không gian.
Các nhà sản xuất thiết bị và xe điện có thể tận dụng phương trình mới này để giảm đáng kể trọng lượng sản phẩm hoặc sử dụng không gian trống để lắp thêm pin, từ đó nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng tổng thể.
Những kết quả này có thể mang tính cách mạng trong thực tế. Asp cho biết: "Chúng tôi đã tiến hành tính toán trên xe điện và kết quả chỉ ra rằng nếu xe điện sử dụng pin cấu trúc cạnh tranh, thời gian lái của chúng có thể kéo dài thêm 70% so với các mẫu xe hiện tại."
Độ cứng của nguyên mẫu mới nhất của nhóm gần gấp ba lần so với các lần lặp lại trước đó, với mô đun đàn hồi tăng từ 25 GPa lên 70 GPa. Nhóm nghiên cứu tuyên bố rằng độ cứng và khả năng chịu tải của nó hiện có thể so sánh với nhôm nhưng nhẹ hơn nhiều.
Thiết kế pin này sử dụng sợi carbon ở cả cực dương và cực âm, sợi này cũng có tác dụng tăng cường và dẫn điện. Kết quả là không cần đến các vật liệu nặng như đồng để tạo ra các bộ thu dòng, cũng như không cần phải sử dụng các kim loại xung đột như coban trong thiết kế điện cực.
Thiết kế pin này sử dụng vật liệu sợi carbon cho cả cực dương và cực âm.
Ngoài ra, loại pin này sử dụng chất điện phân bán rắn thay vì chất điện phân lỏng để tạo điều kiện thuận lợi cho sự di chuyển của các ion lithium giữa các cực. Kết quả là nó ít bắt lửa hơn và an toàn hơn khi sử dụng – mặc dù nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng vẫn còn những thách thức trong việc cho phép các ion đi qua nhanh chóng qua chất điện phân để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng năng lượng cao. Cần nhiều nghiên cứu hơn trong lĩnh vực này.
Thật vậy, đây chỉ là một loại pin nguyên mẫu khác trong phòng thí nghiệm, vì vậy những chiếc xe và thiết bị điện thế hệ tiếp theo này sẽ phải mất vài năm nữa mới có thể phát triển được. Tuy nhiên, việc sản xuất và thương mại hóa quy mô lớn đã được tiến hành. Ngay từ năm 2022, trường đại học đã hợp tác với công ty đầu tư mạo hiểm Chalmers Ventures ở Gothenburg để thành lập một công ty mới có tên Sinonus. Công ty này đã bổ nhiệm một Giám đốc điều hành mới vào tháng 6 năm nay để thúc đẩy thương mại hóa phương pháp lưu trữ năng lượng không khối lượng, điều này có thể thay đổi cách chúng ta sản xuất ô tô, thiết bị và thậm chí cả cánh tuabin gió.
Asp cho biết: "Chúng ta có thể hình dung những chiếc điện thoại di động mỏng như thẻ tín dụng hoặc máy tính xách tay chỉ nặng bằng một nửa những gì chúng đang có hiện nay là gần nhất về mặt dòng thời gian. Các thành phần như thiết bị điện tử trong ô tô hoặc máy bay cũng có thể được cung cấp năng lượng bằng cấu trúc." Điều này sẽ đòi hỏi sự đầu tư đáng kể để đáp ứng nhu cầu năng lượng đầy thách thức của ngành vận tải, nhưng đây là lúc công nghệ có thể có tác động lớn nhất."
