Các nhà khoa học tại đại học công nghệ Chalmers, Thuỵ Điển đã phát minh ra một loại pin có đặc tính cứng, bền nhưng lại rất nhẹ, được làm bằng sợi carbon và nó có thể được dùng làm vật liệu cấu trúc. Nhờ đó, nó có thể giảm một nửa trọng lượng của máy tính xách tay, điện thoại có thể mỏng như thẻ tín dụng, xe điện có thể chạy được xa hơn hay thậm chí là mở ra kỷ nguyên của máy bay chạy điện.
Loại pin cấu trúc này đã được đại học Chalmers nghiên cứu trong nhiều năm, hợp tác với viện công nghệ hoàng gia KTH tại Stockholm. Trước đó vào năm 2018, nhóm nghiên cứu tại Chalmers dẫn đầu bởi giáo sư Leif Asp đã công bố nghiên cứu về việc sử dụng sợi carbon làm điện cực và trực tiếp lưu trữ năng lượng. Phát hiện này đã sớm được giới chuyên gia quan tâm và Tổ chức vật lý thế giới đã xếp hạng đây là 1 trong 10 đột phá lớn nhất năm.
Kể từ đây, nhóm đã mở rộng nghiên cứu nhằm tăng độ bền và mật độ năng lượng. Vào năm 2021, mật độ của pin đạt 24 Wh/kg - hiệu suất bằng 20% so với pin Li-ion trọng lượng tương đương. Hiện tại pin đạt mật độ năng lượng 30 Wh/kg. Mặc dù vẫn thấp hơn nhiều so với pin Lithium nhưng với việc được sử dụng làm kết cấu như thân xe thì thân xe lúc này là hệ thống pin và trọng lượng xe sẽ giảm đi đáng kể từ đó mở rộng phạm vi hoạt động của phương tiện. Leif Asp tính toán một chiếc xe nếu sử dụng pin cấu trúc có thể cho quãng đường di chuyển xa hơn đến 70% cho mỗi lần sạc so với xe điện dùng pin truyền thống. Điều tương tự có thể áp dụng với máy bay, Leif Asp nói có thể tăng độ dày của pin cấu trúc để khiến nó cứng hơn đồng thời tăng khả năng lưu trữ năng lượng.
Khi được sử dụng làm cấu trúc xe hơi, pin phải có độ bền đủ cao để đáp ứng các yêu cầu về an toàn. Nhóm nghiên cứu cho biết độ bền hay chính xác là mô-đun đàn hồi của pin đã được cải thiện đáng kể từ 25 lên 70 Gpa. Như vậy ứng suất này tương đương với nhôm trong khi trọng lượng nhẹ hơn nhôm. Giáo sư Leif Asp nói: "Nếu xét về đặc tính đa dụng thì loại pin cấu trúc mới tốt hơn gấp đôi so với thế hệ tiền nhiệm và thực tế là loại pin tốt nhất từng được tạo ra trên thế giới."
Ngay từ đầu thì nhóm nghiên cứu đã đặt mục tiêu thương mại đối với công nghệ pin cấu trúc nói trên. Song song với hoạt động phát triển vẫn đang tiếp diễn thì nhóm nghiên cứu đã thành lập công ty Sinonus AB, trụ sở đặt tại Boras, Thuỵ Điển nhằm đưa sản phẩm hoàn chỉnh ra thị trường trong tương lai. Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều việc phải làm để có thể chuyển từ sản xuất quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm sang quy mô lớn dành cho các thiết bị công nghệ hay phương tiện.
Pin cấu trúc của đại học công nghệ Chalmers được phát triển dựa trên một loại vật liệu tổng hợp và sử dụng sợi carbon làm điện cực dương lẫn âm. Điện cực dương được phủ một lớp lithium-sắt phốt phát. Sợi carbon dùng trong vật liệu điện cực có nhiều chức năng. Ở cực dương, nó hoạt động như vật liệu gia cố kiêm bộ thu dòng điện (vật liệu kết nối các điện cực với các cực) và vật liệu hoạt động (AM). Ở cực âm, nó cũng là vật liệu gia cố, bộ thu dòng điện và đóng vai trò là giàn khung để lithium hình thành. Vì sợi carbon dẫn dòng electron nên pin không cần dùng vật liệu thu dòng thường là đồng hay nhôm như các loại pin cấu trúc khác, từ đó giảm đáng kể trọng lượng pin. Trong loại pin này, ion lithium được vận chuyển giữa các cực của pin thông qua một chất điện phân bán rắn thay vì lỏng. Thiết kế này giúp giảm nguy cơ cháy nổ nhưng cũng đặt ra thách thức khi muốn tăng công suất.
EurekAlert!; cision.com
Loại pin cấu trúc này đã được đại học Chalmers nghiên cứu trong nhiều năm, hợp tác với viện công nghệ hoàng gia KTH tại Stockholm. Trước đó vào năm 2018, nhóm nghiên cứu tại Chalmers dẫn đầu bởi giáo sư Leif Asp đã công bố nghiên cứu về việc sử dụng sợi carbon làm điện cực và trực tiếp lưu trữ năng lượng. Phát hiện này đã sớm được giới chuyên gia quan tâm và Tổ chức vật lý thế giới đã xếp hạng đây là 1 trong 10 đột phá lớn nhất năm.
Kể từ đây, nhóm đã mở rộng nghiên cứu nhằm tăng độ bền và mật độ năng lượng. Vào năm 2021, mật độ của pin đạt 24 Wh/kg - hiệu suất bằng 20% so với pin Li-ion trọng lượng tương đương. Hiện tại pin đạt mật độ năng lượng 30 Wh/kg. Mặc dù vẫn thấp hơn nhiều so với pin Lithium nhưng với việc được sử dụng làm kết cấu như thân xe thì thân xe lúc này là hệ thống pin và trọng lượng xe sẽ giảm đi đáng kể từ đó mở rộng phạm vi hoạt động của phương tiện. Leif Asp tính toán một chiếc xe nếu sử dụng pin cấu trúc có thể cho quãng đường di chuyển xa hơn đến 70% cho mỗi lần sạc so với xe điện dùng pin truyền thống. Điều tương tự có thể áp dụng với máy bay, Leif Asp nói có thể tăng độ dày của pin cấu trúc để khiến nó cứng hơn đồng thời tăng khả năng lưu trữ năng lượng.
Khi được sử dụng làm cấu trúc xe hơi, pin phải có độ bền đủ cao để đáp ứng các yêu cầu về an toàn. Nhóm nghiên cứu cho biết độ bền hay chính xác là mô-đun đàn hồi của pin đã được cải thiện đáng kể từ 25 lên 70 Gpa. Như vậy ứng suất này tương đương với nhôm trong khi trọng lượng nhẹ hơn nhôm. Giáo sư Leif Asp nói: "Nếu xét về đặc tính đa dụng thì loại pin cấu trúc mới tốt hơn gấp đôi so với thế hệ tiền nhiệm và thực tế là loại pin tốt nhất từng được tạo ra trên thế giới."
Ngay từ đầu thì nhóm nghiên cứu đã đặt mục tiêu thương mại đối với công nghệ pin cấu trúc nói trên. Song song với hoạt động phát triển vẫn đang tiếp diễn thì nhóm nghiên cứu đã thành lập công ty Sinonus AB, trụ sở đặt tại Boras, Thuỵ Điển nhằm đưa sản phẩm hoàn chỉnh ra thị trường trong tương lai. Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều việc phải làm để có thể chuyển từ sản xuất quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm sang quy mô lớn dành cho các thiết bị công nghệ hay phương tiện.
Pin cấu trúc của đại học công nghệ Chalmers được phát triển dựa trên một loại vật liệu tổng hợp và sử dụng sợi carbon làm điện cực dương lẫn âm. Điện cực dương được phủ một lớp lithium-sắt phốt phát. Sợi carbon dùng trong vật liệu điện cực có nhiều chức năng. Ở cực dương, nó hoạt động như vật liệu gia cố kiêm bộ thu dòng điện (vật liệu kết nối các điện cực với các cực) và vật liệu hoạt động (AM). Ở cực âm, nó cũng là vật liệu gia cố, bộ thu dòng điện và đóng vai trò là giàn khung để lithium hình thành. Vì sợi carbon dẫn dòng electron nên pin không cần dùng vật liệu thu dòng thường là đồng hay nhôm như các loại pin cấu trúc khác, từ đó giảm đáng kể trọng lượng pin. Trong loại pin này, ion lithium được vận chuyển giữa các cực của pin thông qua một chất điện phân bán rắn thay vì lỏng. Thiết kế này giúp giảm nguy cơ cháy nổ nhưng cũng đặt ra thách thức khi muốn tăng công suất.
EurekAlert!; cision.com
