Bê tông là một trong những biểu tượng của thời đại công nghiệp. Giờ đây, chính bê tông đang được Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) “tái định nghĩa” thành một nguồn năng lượng mới.
1m3 bê tông có thể lưu trữ 2kWh điện, đủ để vận hành một chiếc tủ lạnh trong 24 giờ. Thành tựu này mở ra viễn cảnh những tòa nhà trong tương lai có thể tự sản xuất, lưu trữ và cung cấp điện năng cho chính mình.
Từ vật liệu xây dựng đến thiết bị lưu trữ năng lượng
Bê tông vốn là vật liệu gắn liền với mọi công trình, từ nhà ở, cầu đường cho tới cao ốc.
Nhóm nghiên cứu tại MIT đang biến nó thành một “thiết bị năng lượng”. Loại bê tông mới có tên ec3, viết tắt của electron conducting carbon concrete, được tạo thành từ xi măng, nước và carbon đen - vật chất có khả năng dẫn điện cao.
Khác với bê tông thông thường, ec3 có thể hoạt động như một siêu tụ điện. Khi được trộn, đổ khuôn và đông cứng, khối bê tông được ngâm trong dung dịch điện phân để các ion tích điện thấm vào mạng lưới carbon.
' %2F%3E%3C%2Fsvg%3E "Chung cư có thể là khối pin khổng lồ trong tương lai - 1")
Hai điện cực ec3 ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng sẽ tạo nên cấu trúc có khả năng lưu trữ điện.
Sau hai năm tối ưu, nhóm nghiên cứu đã nâng khả năng lưu trữ của ec3 lên gần 10 lần so với phiên bản đầu tiên công bố năm 2023. 1m3 vật liệu nay có thể lưu trữ hơn 2kWh, đủ vận hành một chiếc tủ lạnh trong suốt một ngày.
Giải mã cấu trúc nano chìa khóa tăng khả năng tích trữ
Để đạt được kết quả này, các nhà khoa học tại MIT sử dụng kỹ thuật hiển vi FIB SEM tomography, cho phép quan sát mạng lưới carbon nano bên trong bê tông ở độ phân giải ba chiều cực cao.
Qua đó, họ hiểu rõ cách các hạt carbon đen liên kết với xi măng và hình thành hệ thống dẫn điện. Khi tinh chỉnh ở cấp độ nano, diện tích bề mặt tăng lên, giúp vật liệu giữ được nhiều điện tích hơn.
Nhóm cũng thử nghiệm các dung dịch điện phân khác nhau. Sự kết hợp giữa muối amoni bậc bốn và dung môi dẫn điện acetonitrile tạo ra môi trường điện hóa ổn định, giúp tăng mật độ năng lượng đáng kể.
Các điện cực dày hơn được thêm vào nhằm mở rộng khả năng lưu trữ mà không cần xử lý hậu kỳ.
Theo ước tính, mật độ năng lượng của ec3 hiện đạt khoảng 200Wh/m3, cao hơn nhiều so với các vật liệu xây dựng thông thường. Với hiệu suất này, chỉ cần vài khối tường ec3 trong một căn hộ cũng đủ dự trữ điện cho sinh hoạt ngắn hạn.
Khi bê tông có thể cảm nhận và phản ứng
Không chỉ lưu trữ điện, ec3 còn có thể “cảm nhận” và phản ứng với môi trường. Trong một thí nghiệm, các nhà khoa học xây dựng mô hình vòm nhỏ bằng ec3, đủ điện để thắp sáng đèn LED 9V.
' %2F%3E%3C%2Fsvg%3E "Chung cư có thể là khối pin khổng lồ trong tương lai - 2")
Khi họ đặt tải trọng lên, ánh sáng đèn thay đổi theo lực tác động, cho thấy điện áp dao động tương ứng.
Tiến sĩ Admir Masic, đồng giám đốc trung tâm nghiên cứu ec3, cho biết nếu một vòm ec3 ở quy mô thật bị gió mạnh hoặc tải trọng bất thường tác động, sản lượng điện của nó sẽ dao động. Tín hiệu đó có thể được dùng để giám sát tình trạng công trình theo thời gian thực.
Công nghệ này mở ra viễn cảnh những tòa nhà có thể tự cảnh báo khi nứt, rung hoặc chịu lực vượt mức. Mỗi công trình sẽ không chỉ là khối bê tông tĩnh tại mà là hệ thống vật liệu “thông minh” biết phản ứng trước môi trường.
Bước tiến cho năng lượng sạch và hạ tầng bền vững
Sự ra đời của ec3 đến đúng thời điểm thế giới đang cần các giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo. Pin lithium ion có hiệu suất cao nhưng chi phí lớn, khó tái chế và phụ thuộc vào kim loại hiếm.
Trong khi đó, bê tông rẻ, bền, phổ biến và có thể sản xuất hàng loạt mà không gây tác động lớn đến môi trường.
MIT kỳ vọng ec3 có thể được tích hợp vào móng nhà, tường, vỉa hè hoặc nền đường để tích trữ điện từ tấm pin mặt trời và tuabin gió.
Khi năng lượng dư thừa, hệ thống sẽ tự lưu lại và giải phóng khi nhu cầu tăng cao. Tại Nhật Bản, công nghệ này đã được thử nghiệm trong việc làm nóng vỉa hè ở thành phố Sapporo nhằm giúp tan băng mùa đông.
Nếu được thương mại hóa, ec3 có thể biến toàn bộ hạ tầng đô thị thành một mạng lưới pin phân tán, góp phần ổn định lưới điện quốc gia và giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.
MIT thừa nhận ec3 vẫn chưa sánh được với pin thương mại về mật độ năng lượng, nhưng đây là cánh cửa mở ra tương lai nơi bê tông không chỉ là vật liệu chịu lực mà còn là một phần của hệ thống năng lượng.