Tìm ra vật liệu giúp lưu trữ năng lượng linh hoạt, rẻ và tốt hơn

Sắt nitride - một vật liệu từ tính đáp ứng nhu cầu sản xuất thiết bị lưu trữ năng lượng linh hoạt nhưng nhỏ, nhẹ và bền hơn trước đây.

Một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm thí nghiệm quốc gia Sandia, Mỹ đã phát triển một vật liệu từ tính để chế tạo ra các máy biến áp tần số cao nhỏ, nhẹ, rẻ nhưng bền và có hiệu suất cao hơn các vật liệu trước đây. Hệ thống lưu trữ di động và chuyển đổi năng lượng mới vừa vặn trong một chiếc xe bán tải này có thể ứng dụng cho lắp đặt năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng địa nhiệt ngay cả ở những khu vực xa xôi nhất. Các mô đun này có thể lắp đặt nhanh chóng, tốn rất ít thời gian và kinh phí.

"Hệ thống mô-đun này có thể được triển khai nhanh chóng đến nhiều địa điểm nhưng rất tiết kiệm thời gian và các công đoạn lắp ráp", Todd Monson ở Phòng Khoa học nano và đồng trưởng nhóm nghiên cứu Stan Atcitty ở Phòng Công nghệ và Hệ thống lưu trữ năng lượng, Trung tâm thí nghiệm Sandia cho biết.

Thử nghiệm tạo sắt nitride trong phòng thí nghiệm Sandia. (Ảnh: Randy Montoya).

Các nhà khoa học tại Sandia chế tạo ra sắt nitride (γ'-Fe4N) bột bằng bột sắt nghiền trong Nitơ lỏng và sau đó là amoniac. Bột sắt này sau đó được gắn kết lại bằng kỹ thuật nung kết trường hỗ trợ (FAST) để hình thành một vật liệu rắn từ bột lỏng thông qua các ứng dụng nhiệt và thi thoảng là áp suất. Kỹ thuật FAST cho phép tạo ra lõi biến áp từ nguyên liệu thô ban đầu chỉ trong vài phút mà không làm phân hủy các sắt nitride thiết yếu, như có thể xảy ra ở nhiệt độ cao trong quá trình nung kết thông thường. Phương pháp này có thể giúp chế tạo ra máy biến áp nhỏ hơn tới 10 lần so với hiện nay.

Không cần gia công

Kỹ thuật FAST cho phép nung kết trực tiếp bột sắt nitride thành từng chi tiết một cách hoàn hảo, chẳng hạn như nung kết thành lõi máy biến áp mà không cần gia công. Do từ tính, các máy biến áp làm từ sắt nitride sẽ gọn, nhẹ hơn máy biến áp truyền thống nhưng vẫn có hiệu năng rất lớn. Do đó, sắt nitride có thể trở thành vật liệu thô để chế tạo lõi máy biến áp mạnh, hiệu suất cao hơn cho lưới điện quốc gia.

Đến nay, các nhà khoa học tại Sandia đã chứng minh quy trình chế tạo lõi máy biến áp từ sắt nitride có các đặc tính vật lý, từ trường tốt và đang chuẩn bị thử nghiệm biến áp trong các thí nghiệm chuyển đổi năng lượng.Vật liệu từ tính rất quan trọng đối với các hệ thống chuyển đổi năng lượng thế hệ mới do chúng cần tới những máy đổi điện liên kết tần số cao, và điều này cũng củng cố những nỗ lực của Trung tâm Sandia trong việc tạo ra vật liệu thiết bị có đặc tính khe hở năng lượng (bandgap) siêu rộng cho các hệ thống điện năng được nâng cấp. Những vật liệu này có thể chịu được tần số cao hơn, nhiệt độ cao hơn, và cuối cùng là đáp ứng các thiết kế có mật độ năng lượng dày đặc hơn. Tổ nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho loại vật liệu mới này.

Monson, Atcitty và nhóm nghiên cứu xây dựng ý tưởng về vật liệu từ tính và điện năng này với sự hợp tác chặt chẽ của các nhà nghiên cứu từ nhiều đơn vị khác như Đại học California, Irvine và Đại học bang Arizona, những nhà khoa học này đã giúp gia công vật liệu và mô hình hóa hệ thống phân cấp.