Một nghiên cứu mới cho thấy các sợi carbon có thể hoạt động như các điện cực pin, lưu trữ năng lượng một cách trực tiếp bên trong chúng.
Phát hiện này mở ra những cơ hội chế tạo nên các loại pin với cấu trúc mới, trong đó sợi carbon sẽ trở thành một phần quan trọng trong hệ thống năng lượng. Loại vật liệu đa chức năng này có thể đóng góp đáng kể vào việc giảm khối lượng của máy bay và các phương tiện giao thông trong tương lai - một thách thức lớn đối với quá trình điện hóa các phương tiện đi lại này.
Máy bay chở khách cần phải nhẹ hơn rất nhiều so với hiện nay để có thể chuyển từ sử dụng xăng, dầu sang pin điện. Đối với các loại xe hơi, giảm được khối lượng đồng nghĩa với quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc sẽ được kéo dài hơn nữa.
Leif Asp, Giáo sư vật liệu và Cơ khí Máy tính tại Đại học Công nghệ Chalmers, đã tiến hành nghiên cứu khả năng của sợi carbon để xem liệu nó có thể thực hiện nhiều tác vụ khác thay vì chỉ đơn giản đóng vai trò là một loại vật liệu gia cố hay không. Ngạc nhiên thay, sợi carbon có thể lưu trữ năng lượng!
Mật độ năng lượng thấp hơn của pin cấu trúc sẽ làm chúng an toàn hơn pin tiêu chuẩn.
"Thân xe hơi sẽ không còn là một thành phần dùng để chuyên chở đơn thuần nữa, nó còn có thể kiêm chức năng một viên pin" - ông nói - "Sợi carbon còn có thể được sử dụng cho những mục đích khác, như thu hoạch động năng phục vụ cho các cảm biến hay tụ điện năng lượng và dữ liệu. Nếu tất cả các chức năng này có thể được tích hợp vào thân xe hoặc máy bay, khối lượng của các phương tiện này có thể giảm đến 50%".
Asp đã tập hợp một nhóm các nhà nghiên cứu đa ngành - những người vừa xuất bản một nghiên cứu về phương thức các vi cấu trúc sợi carbon ảnh hưởng đến thuộc tính điện hóa của chúng, tức khả năng hoạt động như các điện cực trong pin lithium-ion của sợi carbon. Cho đến thời điểm này, đây vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu chưa được khai phá.
Các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu về nhiều loại vi cấu trúc khác nhau của các loại sợi carbon thương mại trên thị trường. Họ khám phá ra rằng sợi carbon với các tinh thể nhỏ kém định hướng có thuộc tính điện hóa tốt nhưng lại có độ cứng thấp hơn thông thường. Ngược lại, sợi carbon có các tinh thể lớn, định hướng cao, sẽ có các thuộc tính điện hóa quá thấp để có thể sử dụng trong các viên pin có cấu trúc mới.
"Nay chúng tôi đã biết sợi carbon đa chức năng nên được sản xuất ra sao để đạt được khả năng lưu trữ năng lượng cao, trong khi vẫn đảm bảo độ cứng chấp nhận được" - Asp nói - "Độ cứng có giảm đi một chút cũng không phải là vấn đề với nhiều ứng dụng của sợi carbon như xe hơi chẳng hạn. Thị trường hiện bị thống trị bởi các vật liệu tổng hợp sợi carbon đắt tiền vốn có độ cứng dành cho máy bay. Do đó các hãng sản xuất sợi carbon có tiềm năng mở rộng tính ứng dụng của nó".
Trong nghiên cứu này, các loại sợi carbon với thuộc tính điện hóa tốt có độ cứng cao hơn một chút so với thép, trong khi cac loại sợi carbon với thuộc tính điện hóa kém lại cứng gấp đôi thép.
Các nhà nghiên cứu đang cộng tác với cả ngành công nghiệp xe hơi và hàng không. Leif Asp giải thích rằng đối với ngành công nghiệp hàng không, việc tăng độ dày của vật liệu tổng hợp sợi carbon là cần thiết để bù đắp cho việc giảm độ cứng của nó nhằm làm pin cấu trúc mới. Đồng thời, điều này còn giúp tăng khả năng lưu trữ năng lượng của chúng nữa.
"Mấu chốt là tối ưu các phương tiện ở cấp độ hệ thống - dựa trên các thuộc tính khối lượng, độ chắc, độ cứng, và điện hóa. Đó là cách suy nghĩ mới đối với ngành công nghiệp xe hơi, vốn đã quen với việc tối ưu các thành phần riêng biệt. Pin cấu trúc có lẽ sẽ không hiệu quả như pin thông thường, nhưng bởi chúng có khả năng chuyên chở, chúng có thể mang lại những thay đổi lớn ở cấp độ hệ thống".
Ông nói tiếp: "Bên cạnh đó, mật độ năng lượng thấp hơn của pin cấu trúc sẽ làm chúng an toàn hơn pin tiêu chuẩn, đặc biệt là chúng không có chứa bất kỳ vật chất dễ bay hơi nào".