Khi ô tô, máy bay, tàu thủy hoặc máy tính được chế tạo từ vật liệu vừa có chức năng là pin vừa là cấu trúc chịu lực, trọng lượng và mức tiêu thụ năng lượng sẽ giảm đáng kể. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển hiện đang trình bày một tiến bộ hàng đầu thế giới về cái gọi là lưu trữ năng lượng không khối lượng—một loại pin cấu trúc có thể giảm một nửa trọng lượng của máy tính xách tay, làm cho điện thoại di động mỏng như thẻ tín dụng hoặc tăng phạm vi lái xe của ô tô điện lên tới 70% chỉ với một lần sạc.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers đã thành công trong việc tạo ra một loại pin làm từ vật liệu composite sợi carbon cứng như nhôm và đủ mật độ năng lượng để sử dụng trong thương mại. Khi ô tô, máy bay, tàu thủy hoặc máy tính được chế tạo từ vật liệu có chức năng vừa là pin vừa là cấu trúc chịu lực, trọng lượng và mức tiêu thụ năng lượng sẽ giảm đáng kể. Tín dụng: Đại học Công nghệ Chalmers | Henrik Sandsjö
"Chúng tôi đã thành công trong việc tạo ra một loại pin làm từ vật liệu composite sợi carbon cứng như nhôm và có mật độ năng lượng đủ để sử dụng trong thương mại. Giống như bộ xương người, pin có nhiều chức năng cùng một lúc", nhà nghiên cứu Richa Chaudhary của Chalmers, tác giả đầu tiên của một bài báo mới được công bố trên tạp chí Advanced Materials, cho biết.
Nghiên cứu về pin cấu trúc đã diễn ra trong nhiều năm tại Chalmers, và trong một số giai đoạn cũng hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Hoàng gia KTH ở Stockholm, Thụy Điển. Khi Giáo sư Leif Asp và các đồng nghiệp công bố kết quả đầu tiên của họ vào năm 2018 về cách các sợi carbon cứng và chắc có thể lưu trữ năng lượng điện theo phương pháp hóa học, bước tiến này đã thu hút được sự chú ý lớn.
Tin tức về sợi carbon có thể hoạt động như điện cực trong pin lithium-ion đã lan truyền rộng rãi và thành tựu này đã được tạp chí Physics World xếp hạng là một trong mười đột phá lớn nhất trong năm.
Giảm cân đòi hỏi ít năng lượng hơn
Kể từ đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển thêm khái niệm của mình để tăng cả độ cứng và mật độ năng lượng. Cột mốc trước đó đã đạt được vào năm 2021 khi pin có mật độ năng lượng là 24 watt-giờ trên kilôgam (Wh/kg), nghĩa là khoảng 20% dung lượng của pin lithium-ion tương đương.
Bây giờ, nó lên đến 30 Wh/kg. Mặc dù vẫn thấp hơn so với pin hiện nay, nhưng các điều kiện lại khá khác biệt. Khi pin là một phần của kết cấu và cũng có thể được làm bằng vật liệu nhẹ, tổng trọng lượng của xe sẽ giảm đi đáng kể. Khi đó, không cần nhiều năng lượng để chạy một chiếc ô tô điện, ví dụ.
Khái niệm pin được phát triển dựa trên vật liệu tổng hợp và có sợi carbon làm cả điện cực dương và điện cực âm—trong đó điện cực dương được phủ bằng lithium sắt phosphate. Sợi carbon được sử dụng trong vật liệu điện cực có nhiều chức năng. Ở cực dương, nó hoạt động như một chất gia cố, cũng như một bộ thu điện và vật liệu hoạt động. Ở cực âm, nó hoạt động như một chất gia cố, bộ thu dòng điện và như một giàn giáo để lithium xây dựng trên đó. Trong hình ảnh, các đầu nối dòng điện mỏng được gắn vào các điện cực. Tín dụng: Đại học Công nghệ Chalmers | Henrik Sandsjö
"Đầu tư vào các loại xe nhẹ và tiết kiệm năng lượng là điều tất yếu nếu chúng ta muốn tiết kiệm năng lượng và nghĩ đến các thế hệ tương lai. Chúng tôi đã tính toán trên xe điện cho thấy chúng có thể chạy lâu hơn tới 70% so với hiện nay nếu chúng có pin cấu trúc cạnh tranh", trưởng nhóm nghiên cứu Leif Asp, giáo sư tại Khoa Khoa học Công nghiệp và Vật liệu tại Chalmers cho biết.
Khi nói đến xe cộ, tất nhiên, có những yêu cầu cao về thiết kế để đủ mạnh mẽ đáp ứng các yêu cầu về an toàn. Ở đó, pin cấu trúc của nhóm nghiên cứu đã tăng đáng kể độ cứng, hay cụ thể hơn là mô đun đàn hồi, được đo bằng gigapascal (GPa), từ 25 lên 70. Điều này có nghĩa là vật liệu có thể chịu tải tốt như nhôm, nhưng với trọng lượng nhẹ hơn.
Leif Asp, người đã nghiên cứu về pin cấu trúc từ năm 2007, cho biết: "Về mặt tính năng đa chức năng, loại pin mới này tốt gấp đôi loại pin cũ và thực sự là loại pin tốt nhất từng được sản xuất trên thế giới".
Một số bước hướng tới thương mại hóa
Ngay từ đầu, mục tiêu là đạt được hiệu suất giúp công nghệ có thể thương mại hóa. Song song với thực tế là nghiên cứu hiện đang tiếp tục, mối liên kết với thị trường đã được tăng cường—thông qua công ty Chalmers Venture mới thành lập Sinonus AB, có trụ sở tại Borås, Thụy Điển.
Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều công việc kỹ thuật cần phải thực hiện trước khi pin có thể chuyển từ sản xuất trong phòng thí nghiệm ở quy mô nhỏ sang sản xuất hàng loạt cho các thiết bị công nghệ hoặc phương tiện của chúng ta.
"Người ta có thể tưởng tượng rằng điện thoại di động hoặc máy tính xách tay mỏng như thẻ tín dụng, nặng bằng một nửa ngày nay, là những thứ gần nhất về mặt thời gian. Cũng có thể là 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 những khoản 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", Leif Asp, người đã nhận thấy sự quan tâm lớn từ ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, cho biết.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers đã thành công trong việc tạo ra một loại pin làm từ vật liệu composite sợi carbon cứng như nhôm và đủ mật độ năng lượng để sử dụng trong thương mại. Khi ô tô, máy bay, tàu thủy hoặc máy tính được chế tạo từ vật liệu có chức năng vừa là pin vừa là cấu trúc chịu lực, trọng lượng và mức tiêu thụ năng lượng sẽ giảm đáng kể. Tín dụng: Đại học Công nghệ Chalmers | Henrik Sandsjö
Tìm hiểu thêm về nghiên cứu và pin cấu trúc
Pin cấu trúc là vật liệu, ngoài việc lưu trữ năng lượng, có thể mang tải. Theo cách này, vật liệu pin có thể trở thành một phần của vật liệu xây dựng thực tế của sản phẩm, nghĩa là có thể đạt được trọng lượng thấp hơn nhiều trên, ví dụ, ô tô điện, máy bay không người lái, công cụ cầm tay, máy tính xách tay và điện thoại di động.
Những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực này đã được công bố trong bài báo "Công bố pin cấu trúc sợi carbon đa chức năng" và các tác giả là Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia và Leif Asp tại Đại học Công nghệ Chalmers.
Khái niệm pin được phát triển dựa trên vật liệu tổng hợp và có sợi carbon làm cả điện cực dương và âm—trong đó điện cực dương được phủ bằng lithium sắt phosphate. Khi khái niệm pin trước đó được trình bày, lõi của điện cực dương được làm bằng lá nhôm.
Sợi carbon được sử dụng trong vật liệu điện cực có nhiều chức năng. Ở cực dương, nó hoạt động như một chất gia cố, cũng như một bộ thu điện và vật liệu hoạt động. Ở cực âm, nó hoạt động như một chất gia cố, bộ thu dòng điện và như một giàn giáo để lithium xây dựng trên đó.
Vì sợi carbon dẫn dòng điện tử, nhu cầu về bộ thu dòng điện làm bằng đồng hoặc nhôm (ví dụ) được giảm đi, giúp giảm trọng lượng tổng thể hơn nữa. Cũng không cần bất kỳ kim loại xung đột nào như coban hoặc mangan trong thiết kế điện cực đã chọn.
Trong pin, các ion lithium được vận chuyển giữa các cực của pin thông qua chất điện phân bán rắn, thay vì chất điện phân lỏng, điều này rất khó khăn khi muốn có công suất cao và cần phải nghiên cứu thêm về vấn đề này. Đồng thời, thiết kế này góp phần tăng cường độ an toàn trong cell pin, thông qua việc giảm nguy cơ cháy nổ.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
