Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bê tông dẫn điện carbon

Vật liệu ec³ được hình thành bằng cách trộn xi măng, nước, carbon đen siêu mịn (ở cấp độ nano) và chất điện giải. Sự kết hợp này tạo nên một “mạng nano” dẫn điện bên trong bê tông, cho phép các công trình như tường, vỉa hè, cầu đường vừa làm kết cấu vừa tích trữ, giải phóng năng lượng điện.

Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật FIB-SEM tomography để tái tạo mạng dẫn điện với độ phân giải cao nhất từ trước tới nay. Kết quả cho thấy cấu trúc mạng này giống như một “mạng nhện fractal” bao quanh lỗ rỗng của bê tông, giúp chất điện giải thẩm thấu và dòng điện lưu thông.

Từ nền tảng đó, nhóm nghiên cứu thử nghiệm nhiều loại chất điện giải khác nhau. Kết quả cho thấy ec³ có thể hoạt động tốt với nhiều lựa chọn, thậm chí cả nước biển, điều này mở ra khả năng ứng dụng trong môi trường ven biển hoặc các công trình ngoài khơi như trụ gió. 

Đặc biệt, khi chuyển sang dùng chất điện giải hữu cơ, trong đó có muối amoni bậc bốn kết hợp acetonitrile, hiệu quả tăng vọt: 1 m³ bê tông dẫn điện carbon có thể tích trữ hơn 2 kWh, đủ để vận hành một tủ lạnh trong ngày.

Một ưu điểm khác là ec³ có thể đúc trực tiếp thành các cấu kiện kiến trúc từ sàn, tường cho tới mái vòm với tuổi thọ ngang bằng kết cấu bê tông thông thường. Lấy cảm hứng từ kiến trúc La Mã, nhóm nghiên cứu thậm chí đã chế tạo một vòm mini bằng ec³, vừa chịu tải trọng vừa phát sáng đèn LED nhờ điện năng tự cung cấp. 

Điều thú vị là khi tăng tải trọng, đèn nhấp nháy, gợi mở khả năng tự giám sát kết cấu: công trình có thể “phát tín hiệu” về mức độ chịu lực và tình trạng sức khỏe theo thời gian thực.

Theo công bố mới trên tạp chí PNAS, nhờ tối ưu quy trình sản xuất và cải thiện chất điện giải, mật độ lưu trữ năng lượng của ec³ đã tăng gấp 10 lần. Trước đây, để cung cấp đủ điện cho một hộ gia đình trung bình trong một ngày, cần tới khoảng 45m³ bê tông dẫn điện carbon, tương đương lượng bê tông trong một tầng hầm. Hiện nay, con số này chỉ còn 5m³, tức bằng thể tích một bức tường tầng hầm.

Hiện công nghệ này đã có ứng dụng thực tiễn tại Sapporo (Nhật Bản), tấm lát vỉa hè làm từ bê tông dẫn điện carbon được dùng để sưởi ấm, thay thế phương pháp rải muối chống băng. Nhóm nghiên cứu hướng tới các kịch bản lớn hơn như bãi đỗ xe, đường sá sạc xe điện, hay ngôi nhà tự vận hành hoàn toàn “off-grid”.

Giáo sư Admir Masic - đồng Giám đốc Trung tâm Vật liệu Xi măng Dẫn điện carbon MIT (EC³ Hub) - cho rằng, đây là hướng đi để phát triển loại bê tông đa chức năng, vừa tích trữ năng lượng, vừa tự phục hồi, vừa hấp thụ CO₂. Với quy mô sử dụng khổng lồ toàn cầu, bê tông có thể trở thành vật liệu đem lại nhiều giá trị hơn thay vì chỉ là kết cấu.

Với cải tiến mới, khả năng tích trữ năng lượng của ec³ đã tăng gấp 10 lần so với thế hệ trước, mở ra tiềm năng biến tường nhà, cầu đường hay vỉa hè thành những “pin khổng lồ” phục vụ nhu cầu năng lượng sạch.

Trong 5-10 năm tới, công nghệ bê tông dẫn điện tích hợp lưu trữ năng lượng có thể sẽ trở thành một "công nghệ ngách" dùng cho các công trình đặc thù: nhà thông minh, tòa nhà net-zero, công trình hạ tầng tích hợp nguồn năng lượng (như trạm sạc xe điện, sân bãi, mặt đường sạc). Nếu chi phí và mật độ năng lượng được cải thiện đáng kể, nó có cơ hội “lan rộng” trở thành công nghệ phổ biến, biến các kết cấu bê tông (tường, sàn) thành “pin khổng lồ”.

BÀI CÙNG CHỦ ĐỀ:
>> Chế tạo bê tông phát sáng có độ bền cao
>> Các loại bê tông thông dụng hiện nay
>> Siêu xi măng có thể trở thành chất dẫn nhiệt trong suốt
>> 8 loại bê tông mới có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai
>> Tại sao trong bê tông lại có các lỗ khí?