"Pin" bê tông được phát triển tại MIT hiện có công suất gấp 10 lần
Siêu tụ điện xi măng-cacbon cải tiến có thể biến bê tông xung quanh chúng ta thành hệ thống lưu trữ năng lượng khổng lồ.
Andrew Paul Laurent | Trung tâm Phát triển Bền vững Bê tông
Ngày xuất bản:
1 tháng 10, 2025
MIT
Bê tông đã xây dựng nên thế giới của chúng ta, và giờ đây nó cũng đang tiến gần hơn đến việc cung cấp năng lượng cho thế giới. Được tạo ra bằng cách kết hợp xi măng, nước, muội than siêu mịn (với các hạt nano) và chất điện phân, bê tông cacbon dẫn điện (ec3, phát âm là "e-c-cubed") tạo ra một "mạng lưới nano" dẫn điện bên trong bê tông, cho phép các công trình hàng ngày như tường, vỉa hè và cầu cống lưu trữ và giải phóng năng lượng điện. Nói cách khác, một ngày nào đó, bê tông xung quanh chúng ta có thể trở thành những "pin" khổng lồ.
Theo báo cáo của các nhà nghiên cứu MIT trong một bài báo mới của PNAS, các chất điện phân và quy trình sản xuất được tối ưu hóa đã tăng khả năng lưu trữ năng lượng của các siêu tụ điện ec3 mới nhất lên một cấp số nhân. Vào năm 2023, việc lưu trữ đủ năng lượng để đáp ứng nhu cầu hàng ngày của một hộ gia đình trung bình sẽ cần khoảng 45 mét khối ec3, tương đương với lượng bê tông được sử dụng trong một tầng hầm thông thường. Giờ đây, với chất điện phân được cải tiến, nhiệm vụ tương tự có thể đạt được chỉ với khoảng 5 mét khối, tương đương với thể tích của một bức tường tầng hầm thông thường.
“Chìa khóa cho tính bền vững của bê tông là sự phát triển của ‘bê tông đa chức năng’, tích hợp các chức năng như lưu trữ năng lượng, tự phục hồi và cô lập carbon. Bê tông hiện là vật liệu xây dựng được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, vậy tại sao không tận dụng quy mô đó để tạo ra những lợi ích khác?” Admir Masic, tác giả chính của nghiên cứu mới, đồng giám đốc Trung tâm Vật liệu Cacbon-Xi măng Dẫn điện Tử MIT (EC³ Hub) và phó giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường (CEE) tại MIT, đặt câu hỏi.
Mật độ năng lượng được cải thiện là nhờ hiểu biết sâu sắc hơn về cách mạng lưới nanocarbon đen bên trong ec3 hoạt động và tương tác với chất điện phân. Sử dụng chùm ion hội tụ để loại bỏ tuần tự các lớp mỏng của vật liệu ec3, sau đó chụp ảnh độ phân giải cao từng lát cắt bằng kính hiển vi điện tử quét (một kỹ thuật gọi là chụp cắt lớp FIB-SEM), nhóm nghiên cứu tại Trung tâm EC³ và Trung tâm Bền vững Bê tông MIT đã có thể tái tạo mạng lưới nano dẫn điện ở độ phân giải cao nhất từ trước đến nay. Phương pháp này cho phép nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng mạng lưới về cơ bản là một "mạng lưới" giống như fractal bao quanh các lỗ rỗng ec3, cho phép chất điện phân thấm vào và cho dòng điện chạy qua hệ thống.
“Việc hiểu cách các vật liệu này tự ‘lắp ráp’ ở cấp độ nano là chìa khóa để đạt được những chức năng mới này”, Masic nói thêm.
Với hiểu biết mới về mạng lưới nano, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm với các chất điện phân khác nhau và nồng độ của chúng để xem chúng ảnh hưởng như thế nào đến mật độ lưu trữ năng lượng. Như Damian Stefaniuk, tác giả chính và nhà khoa học nghiên cứu của EC³ Hub, nhấn mạnh, “chúng tôi nhận thấy có rất nhiều chất điện phân có thể là ứng cử viên khả thi cho ec3. Thậm chí bao gồm cả nước biển, điều này có thể khiến nó trở thành một vật liệu tốt để sử dụng trong các ứng dụng ven biển và hàng hải, có thể làm cấu trúc hỗ trợ cho các trang trại điện gió ngoài khơi.”
Đồng thời, nhóm nghiên cứu đã tinh giản cách họ thêm chất điện phân vào hỗn hợp. Thay vì xử lý điện cực ec3 rồi ngâm chúng trong chất điện phân, họ đã thêm chất điện phân trực tiếp vào nước trộn. Vì khả năng thẩm thấu của chất điện phân không còn là một hạn chế nữa, nhóm nghiên cứu có thể đúc các điện cực dày hơn để lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất cao nhất khi chuyển sang sử dụng chất điện phân hữu cơ, đặc biệt là những chất kết hợp muối amoni bậc bốn - có trong các sản phẩm hàng ngày như chất khử trùng - với acetonitrile, một chất lỏng trong suốt, dẫn điện thường được sử dụng trong công nghiệp. Một mét khối ec3 phiên bản này - có kích thước tương đương một chiếc tủ lạnh - có thể lưu trữ hơn 2 kilowatt giờ năng lượng. Con số này đủ để cung cấp năng lượng cho một chiếc tủ lạnh thực sự trong một ngày.
Mặc dù pin có mật độ năng lượng cao hơn, về nguyên tắc, ec3 có thể được tích hợp trực tiếp vào nhiều yếu tố kiến trúc - từ tấm và tường đến mái vòm và hầm - và tồn tại lâu dài như chính công trình.
“Người La Mã cổ đại đã có những tiến bộ vượt bậc trong xây dựng bê tông. Những công trình đồ sộ như Đền Pantheon vẫn đứng vững cho đến ngày nay mà không cần gia cố. Nếu chúng ta tiếp tục tinh thần kết hợp khoa học vật liệu với tầm nhìn kiến trúc của họ, chúng ta có thể đang ở bên bờ vực của một cuộc cách mạng kiến trúc mới với bê tông đa chức năng như ec3”, Masic đề xuất.
Lấy cảm hứng từ kiến trúc La Mã, nhóm đã xây dựng một vòm ec3 thu nhỏ để minh họa cách kết hợp giữa hình thức kết cấu và khả năng lưu trữ năng lượng. Hoạt động ở mức 9 volt, vòm này tự chịu được trọng lượng và tải trọng bổ sung trong khi vẫn cung cấp điện cho đèn LED.
Tuy nhiên, một điều đặc biệt đã xảy ra khi tải trọng trên vòm tăng lên: đèn nhấp nháy. Điều này có thể là do áp lực tác động lên các tiếp điểm điện hoặc hệ thống phân phối.
về điện tích. “Có thể có một loại khả năng tự giám sát ở đây. Nếu chúng ta nghĩ về một kiến trúc ec3 ở quy mô kiến trúc, đầu ra của nó có thể dao động khi bị tác động bởi một tác nhân gây ứng suất như gió mạnh. Chúng ta có thể sử dụng điều này như một tín hiệu về thời điểm và mức độ chịu ứng suất của một kết cấu, hoặc theo dõi tình trạng tổng thể của nó theo thời gian thực”, Masic hình dung.
Những phát triển mới nhất trong công nghệ ec³ đưa nó tiến gần hơn một bước đến khả năng mở rộng trong thế giới thực. Công nghệ này đã được sử dụng để sưởi ấm các tấm vỉa hè ở Sapporo, Nhật Bản, nhờ đặc tính dẫn nhiệt, đại diện cho một giải pháp thay thế tiềm năng cho việc rải muối. “Với mật độ năng lượng cao hơn này và giá trị đã được chứng minh trên phạm vi ứng dụng rộng hơn, giờ đây chúng ta có một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt có thể giúp chúng ta giải quyết một loạt các thách thức dai dẳng về năng lượng”, Stefaniuk giải thích. “Một trong những động lực lớn nhất của chúng tôi là hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng tái tạo. Ví dụ, năng lượng mặt trời đã có những bước tiến dài về hiệu suất. Tuy nhiên, nó chỉ có thể tạo ra điện khi có đủ ánh sáng mặt trời. Vì vậy, câu hỏi đặt ra là: Làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng vào ban đêm hoặc những ngày nhiều mây?”
Franz-Josef Ulm, đồng giám đốc Trung tâm EC³ và giáo sư CEE, tiếp tục chủ đề: “Câu trả lời là bạn cần một cách để lưu trữ và giải phóng năng lượng. Điều này thường có nghĩa là sử dụng pin, vốn thường dựa vào các vật liệu khan hiếm hoặc độc hại. Chúng tôi tin rằng ec3 là một giải pháp thay thế khả thi, cho phép các tòa nhà và cơ sở hạ tầng của chúng ta đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng.” Nhóm nghiên cứu đang hướng tới các ứng dụng như bãi đậu xe và đường xá có thể sạc xe điện, cũng như các ngôi nhà có thể hoạt động hoàn toàn độc lập với lưới điện.
“Điều khiến chúng tôi phấn khích nhất là chúng tôi đã sử dụng một vật liệu cổ xưa như bê tông và chứng minh rằng nó có thể làm được điều gì đó hoàn toàn mới”, James Weaver, đồng tác giả của bài báo, phó giáo sư công nghệ thiết kế, khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Cornell, đồng thời là cựu nghiên cứu viên của EC³ Hub, cho biết. “Bằng cách kết hợp khoa học nano hiện đại với một nền tảng cổ xưa của nền văn minh, chúng tôi đang mở ra cánh cửa đến với cơ sở hạ tầng không chỉ hỗ trợ cuộc sống của chúng ta mà còn cung cấp năng lượng cho chúng.”
