Buzz
Khối bê tông ec3, kích thước tương đương chiếc tủ lạnh, hiện có khả năng lưu trữ đủ điện năng để vận hành một chiếc tủ lạnh.
Các nhà khoa học đang nỗ lực thay đổi khái niệm về một vật liệu quen thuộc trong ngành xây dựng. Tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nhóm nghiên cứu về bê tông dẫn điện ec3 (viết tắt của "electron-conducting carbon concrete", hay còn gọi là "bê tông carbon dẫn electron") mới đây đã công bố một bước đột phá giúp tăng khả năng lưu trữ năng lượng lên gấp 10 lần so với phiên bản đầu tiên ra mắt năm 2023. Thành tựu này mang lại hy vọng về một tương lai, nơi các công trình có thể tự lưu trữ và cung cấp điện, như những khối pin khổng lồ trong các khu đô thị hiện đại.
Từ vật liệu xây dựng thông thường đến nguồn năng lượng lưu trữ
Vào năm 2023, MIT đã gây chú ý trong ngành năng lượng khi công bố loại bê tông có thể hoạt động như một siêu tụ điện. Cấu trúc của ec3 bao gồm xi măng, nước và carbon đen - một loại vật liệu dẫn điện cực kỳ hiệu quả. Sau khi trộn và để đông cứng, khối bê tông này được ngâm trong dung dịch điện phân (như kali clorua) để các hạt mang điện tích thấm vào mạng lưới carbon. Hai điện cực được làm từ bê tông đặc biệt này, ngăn cách bởi lớp cách điện mỏng, sẽ hoạt động như một siêu tụ điện khổng lồ.
Nguyên mẫu siêu tụ điện ec3 được tạo ra bằng cách chồng lên nhau các điện cực ec3, xen kẽ với các lớp ngăn xốp thấm dung dịch điện phân, và có thể thấy đang cung cấp năng lượng cho các thiết bị như quạt máy tính và máy chơi game - hình ảnh từ nghiên cứu.
Mặc dù phiên bản ban đầu chỉ có thể lưu trữ năng lượng ở quy mô nhỏ, nhưng sau hai năm tối ưu hóa công thức, các nhà khoa học đã giảm thể tích lưu trữ xuống còn 5 mét khối mà vẫn đảm bảo cung cấp đủ điện năng. Hiện tại, mỗi mét khối bê tông ec3 (tương đương với kích thước của một chiếc tủ lạnh) có thể lưu trữ hơn 2 kWh, đủ để vận hành một chiếc tủ lạnh trong suốt 24 giờ.
Khám phá cấu trúc nano qua công nghệ hiển vi tiên tiến
Để đạt được bước đột phá này, nhóm nghiên cứu tại MIT đã áp dụng kỹ thuật FIB-SEM tomography - một phương pháp hiển vi 3D có độ phân giải cực kỳ cao, giúp quan sát chi tiết mạng lưới carbon nano bên trong bê tông. Nhờ đó, họ đã hiểu rõ hơn về cách các hạt carbon đen hình thành nên hệ thống dẫn điện và tương tác với xi măng, từ đó tinh chỉnh cấu trúc để gia tăng diện tích bề mặt lưu trữ điện tích.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều loại điện phân khác nhau để cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng. Kết quả cho thấy, sự kết hợp giữa muối amoni bậc bốn và dung môi dẫn điện acetonitrile tạo ra một môi trường điện hóa ổn định hơn, giúp tăng mật độ năng lượng đáng kể. Đồng thời, họ cũng áp dụng các điện cực dày hơn để nâng cao dung lượng lưu trữ mà không cần xử lý hậu kỳ như trước.
Bê tông có thể "cảm nhận" và phản ứng với môi trường
Không chỉ đơn thuần lưu trữ điện, ec3 còn mở ra một hướng phát triển mới: bê tông tự giám sát cấu trúc. Lấy cảm hứng từ kiến trúc La Mã cổ đại, nhóm MIT đã tạo ra một mô hình vòm thu nhỏ bằng ec3 để kiểm tra khả năng chịu lực và phát điện. Cấu trúc này có khả năng lưu trữ đủ điện để thắp sáng một đèn LED 9V, chứng minh hiệu quả của vật liệu. Khi tác động một lực lên vòm, ánh sáng chập chờn đã chỉ ra sự thay đổi điện áp theo lực tác động.
Một kết cấu vòm làm từ ec3 tích hợp các điện cực siêu tụ điện, đồng thời minh họa khả năng chịu tải kết cấu và khả năng cung cấp điện để chiếu sáng đèn LED - Hình ảnh trích từ nghiên cứu.
Tiến sĩ Admir Masic, đồng Giám đốc Trung tâm nghiên cứu ec3 và tác giả chính của công trình được công bố trên tạp chí PNAS, cho biết: "Nếu một vòm ec3 ở quy mô kiến trúc thực bị ảnh hưởng bởi gió mạnh hoặc tải trọng bất thường, sản lượng điện của nó có thể thay đổi. Chúng tôi có thể sử dụng tín hiệu này để phát hiện mức độ căng thẳng hoặc giám sát tình trạng công trình theo thời gian thực".
Điều này có nghĩa là, trong tương lai, các tòa nhà được xây dựng từ ec3 không chỉ tự sản xuất năng lượng mà còn tự động 'cảnh báo' khi có sự cố hoặc quá tải – một khái niệm mở ra tương lai cho các công trình thông minh.
Hướng tới cơ sở hạ tầng năng lượng sạch và bền vững
Bê tông ec3 ra đời trong bối cảnh thế giới đang tìm kiếm các giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lớn. Mặc dù pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao hơn, nhưng chúng yêu cầu tài nguyên hiếm, chi phí đắt đỏ và khó tái chế. Trong khi đó, bê tông là vật liệu phổ biến, giá rẻ và bền vững, có thể được sử dụng trong hầu hết các công trình xây dựng mà không cần thay đổi lớn về thiết kế.
Bê tông ec3 đã được ứng dụng để làm nóng các tấm lát vỉa hè tại Sapporo, Nhật Bản - Ảnh: MIT.
Nhóm nghiên cứu MIT hy vọng rằng ec3 có thể được tích hợp vào các móng nhà, tường hoặc nền đường, để lưu trữ điện từ các tấm pin mặt trời và tuabin gió khi năng lượng dư thừa, sau đó cung cấp lại khi nhu cầu năng lượng tăng cao. Nếu được thương mại hóa, công nghệ này có thể biến các công trình xây dựng thành hệ thống pin khổng lồ phân tán, giúp ổn định lưới điện và giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch.
MIT thừa nhận rằng ec3 hiện chưa thể so sánh với các loại pin thương mại về mật độ năng lượng, nhưng đây là bước đầu tiên trong việc tái định nghĩa công dụng của vật liệu xây dựng. Từ nền móng đến vách tường, mỗi cấu trúc trong tương lai có thể vừa chịu lực, vừa lưu trữ và cảm nhận - sự kết hợp hoàn hảo giữa kiến trúc, vật liệu học và năng lượng tái tạo.
Một thành phố thông minh, sử dụng năng lượng sạch trong tương lai có thể sẽ được xây dựng từ ec3, một đột phá của hôm nay.
