Với tiềm năng mở ra những chiếc điện thoại mỏng như thẻ tín dụng và xe điện có phạm vi hoạt động tăng đến 70%, công nghệ này đang tạo ra một cuộc cách mạng mới trong ngành lưu trữ năng lượng.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại "pin cấu trúc - structural battery" hứa hẹn sẽ thay đổi cách thức chế tạo xe điện và thiết bị điện tử. Loại pin này không chỉ cung cấp năng lượng mà còn có thể thay thế kết cấu khung gầm của ô tô điện và thiết bị, giảm đáng kể trọng lượng và gia tăng hiệu suất. Theo các chuyên gia, công nghệ này có thể mở ra những sản phẩm mới như điện thoại thông minh mỏng như những chiếc thẻ tín dụng và máy tính xách tay nhẹ hơn một nửa so với hiện tại, đồng thời tăng phạm vi hoạt động của xe ô tô điện lên đến 70%.
Pin cấu trúc và khả năng giảm trọng lượng
Hiện nay, xe ô tô điện phụ thuộc nhiều vào các bộ pin lithium-ion lớn để đảm bảo phạm vi di chuyển xa. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển đã tìm cách chế tạo một loại pin không chỉ là nguồn năng lượng mà còn có vai trò như một vật liệu chịu lực để giữ cấu trúc xe. Điều này mở ra tiềm năng phát triển những chiếc xe nhẹ hơn mà vẫn duy trì độ cứng và khả năng vận hành.
Loại pin mới này được gọi là "pin cấu trúc - structural battery" và làm từ vật liệu tổng hợp sợi carbon. Sợi carbon nổi tiếng với tính nhẹ, mạnh mẽ và khả năng chịu lực cao, và trong nghiên cứu của nhóm Chalmers, nó không chỉ đóng vai trò là vật liệu cấu trúc mà còn là vật liệu điện cực. Điều này cho phép pin cấu trúc vừa có thể lưu trữ năng lượng, vừa giảm trọng lượng tổng thể của xe điện.
Pin cấu trúc sợi carbon được phát triển tại Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển.
Hiệu suất của pin cấu trúc
Pin cấu trúc được phát triển bởi nhóm nghiên cứu có mật độ năng lượng 30 Wh/kg, tuy không cao bằng với các bộ pin hiện đại trong xe ô tô điện, nhưng khi tính toán toàn bộ khối lượng xe bao gồm cả khung gầm, hiệu suất tổng thể có thể được tăng đáng kể. Ví dụ, bộ pin của chiếc Hyundai Ioniq 6 có mật độ 153 Wh/kg, nhưng đó là mật độ của riêng pin, chưa bao gồm trọng lượng của khung xe.
Khi áp dụng pin cấu trúc, các nhà sản xuất có thể tận dụng công thức này để giảm trọng lượng sản phẩm hoặc thêm nhiều pin hơn vào không gian được giải phóng, từ đó tăng khả năng lưu trữ năng lượng. Điều này có thể giúp xe điện di chuyển xa hơn và thiết bị điện tử trở nên nhẹ hơn, hiệu quả hơn.
Pin dựa trên sợi carbon hứa hẹn sẽ lưu trữ năng lượng và hỗ trợ tải giống như nhôm.
Tính cách mạng cho ngành công nghiệp xe ô tô điện
Giáo sư Leif Asp, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, chia sẻ rằng công nghệ này có thể tạo ra đột phá lớn cho ngành công nghiệp xe ô tô điện. "Nếu các xe điện được trang bị pin cấu trúc, chúng có thể di chuyển xa hơn đến 70% so với hiện tại", ông nói. Điều này đồng nghĩa với việc người tiêu dùng có thể trải nghiệm những chiếc xe điện có phạm vi hoạt động rộng hơn, nhẹ hơn và thân thiện với môi trường hơn.
Một yếu tố quan trọng của pin cấu trúc là việc loại bỏ các thành phần nặng như bộ thu dòng điện bằng đồng và các kim loại như coban, vốn gây lo ngại về môi trường và sức khỏe con người trong quá trình khai thác. Thay vào đó, sợi carbon trong pin đảm nhiệm vai trò làm cả cực dương và cực âm, giúp tăng hiệu suất và giảm trọng lượng.
Thiết kế và tính an toàn của pin cấu trúc
Pin cấu trúc mới này không chỉ nhẹ hơn mà còn an toàn hơn. Thay vì sử dụng chất điện phân lỏng như trong pin lithium-ion thông thường, pin cấu trúc sử dụng chất điện phân bán rắn, làm giảm nguy cơ cháy nổ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để cải thiện tốc độ di chuyển của các ion qua chất điện phân này, nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng cao trong các ứng dụng thương mại lớn.
Hiện tại, pin cấu trúc vẫn trong giai đoạn thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và cần nhiều năm nghiên cứu nữa trước khi có thể được sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, những tiến bộ đã đạt được rất đáng khích lệ. Asp và nhóm của ông đã mở rộng kích thước của nguyên mẫu pin cấu trúc và tăng mô đun đàn hồi từ 25 gigapascals lên 70 gigapascals, làm cho nó có độ cứng tương đương với nhôm nhưng nhẹ hơn nhiều.
Các nhà nghiên cứu Zhenyuan Xia, Richa Chaudhary và giáo sư Leif Asp đã nghiên cứu khái niệm lưu trữ năng lượng trong nhiều năm.
Thương mại hóa và ứng dụng trong tương lai
Trường đại học Chalmers đã hợp tác với Chalmers Ventures, một công ty đầu tư mạo hiểm tại Gothenburg, để thành lập công ty Sinonus với mục tiêu thương mại hóa công nghệ pin cấu trúc. Sinonus đặt mục tiêu phát triển các sản phẩm như ô tô, thiết bị điện tử và cánh tuabin gió dựa trên công nghệ lưu trữ năng lượng không khối lượng này.
Giáo sư Asp hy vọng rằng, trong tương lai không xa, các thiết bị như điện thoại thông minh và máy tính xách tay sẽ mỏng và nhẹ hơn rất nhiều, thậm chí chỉ nặng bằng một nửa so với hiện tại. Ông cũng tin rằng công nghệ pin cấu trúc sẽ trở thành yếu tố quan trọng trong các ngành công nghiệp có nhu cầu cao về lưu trữ năng lượng, như giao thông vận tải và hàng không.
Pin cấu trúc mang lại tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp xe điện và thiết bị điện tử, với khả năng giảm trọng lượng, tăng hiệu suất và mở ra những thiết kế sản phẩm mới. Mặc dù còn nhiều thử thách trước mắt, nhưng công nghệ này đang trên đà phát triển và có thể trở thành giải pháp quan trọng giúp giảm phát thải và tiến tới một tương lai năng lượng bền vững.