Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại siêu tụ điện nền xi măng có khả năng lưu trữ năng lượng, đồng thời duy trì cường độ chịu nén tương đương bê tông thương mại. Nghiên cứu mở ra hướng tích hợp chức năng lưu trữ năng lượng trực tiếp vào vật liệu xây dựng, thay vì sử dụng các thiết bị lưu trữ riêng biệt.
Để tạo siêu tụ điện, nhóm nghiên cứu kết hợp vật liệu xi măng với ống nano carbon và carbon black, sau đó sử dụng in 3D để tạo cấu trúc điện cực trên tấm bê tông. Cấu trúc đan xen của các điện cực là yếu tố quan trọng trong cơ chế lưu trữ năng lượng của vật liệu được nghiên cứu.
Siêu tụ điện nền xi măng có thể in 3D và đạt cường độ tương đương bê tông thương mại dùng cho sàn, bậc thang. (Nguồn: ACS Nano)
Phát triển siêu tụ điện từ vật liệu xi măng
Siêu tụ điện có khả năng lưu trữ lượng năng lượng tương đối nhỏ nhưng có ưu điểm về tốc độ nạp và giải phóng năng lượng. Một số loại có thể thực hiện quá trình này hàng triệu lần, phù hợp với những ứng dụng cần nạp và giải phóng năng lượng thường xuyên.
Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Nano, nhóm nghiên cứu do Jing Zhong cùng Wencai Ren và Haiping Wu thực hiện đã phát triển siêu tụ điện nền xi măng có thể tích hợp vào vật liệu bê tông.
Nhóm nghiên cứu trộn ống nano carbon, carbon black và xi măng để tạo thành mực điện cực có khả năng in. Hỗn hợp sau đó được đưa vào máy in 3D để tạo các điện cực trên một tấm bê tông nhỏ theo cấu trúc dạng những ngón tay đan xen.
Khi xi măng thủy hóa, các lỗ rỗng trong tấm bê tông chứa nước và ion. Các ion di chuyển giữa những điện cực, tạo điều kiện cho quá trình tích trữ và giải phóng năng lượng. Cấu trúc đan xen làm giảm khoảng cách di chuyển của ion, qua đó cải thiện hiệu quả của thiết bị so với các thiết kế trước đó.
Khả năng chịu lực và lưu trữ năng lượng
Kết quả thử nghiệm cho thấy siêu tụ điện nền xi măng có cường độ chịu nén tương đương bê tông thương mại được sử dụng cho sàn và bậc thang. Kết quả này cho thấy việc tích hợp chức năng điện hóa vào vật liệu không làm mất đi khả năng chịu lực cần thiết của mẫu thử.
Nhóm nghiên cứu tiếp tục chế tạo 3 thiết bị trên cùng một tấm bê tông và nối chúng với nhau. Hệ thống có thể cung cấp điện cho một cụm đèn LED nhỏ, qua đó chứng minh khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng của vật liệu ở quy mô thử nghiệm.
Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ có thể được xem xét cho một số thiết bị tiêu thụ ít năng lượng trong công trình, như hệ thống chiếu sáng khẩn cấp và cảm biến có khả năng tự cung cấp năng lượng. Hướng tiếp cận này cũng cho thấy tiềm năng tích hợp thêm chức năng lưu trữ năng lượng vào vật liệu xây dựng bên cạnh nhiệm vụ kết cấu.
Tuy nhiên, khả năng hoạt động của vật liệu còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Thử nghiệm cho thấy siêu tụ điện nền xi măng vận hành ổn định khi chịu gia nhiệt và làm lạnh ở mức vừa phải. Khi nhiệt độ giảm xuống khoảng 0 độ Fahrenheit, tương đương -18°C, hiệu suất bắt đầu suy giảm.
Nhóm nghiên cứu dự kiến tiếp tục phát triển vật liệu nhằm tăng khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thấp. Việc cải thiện đặc tính này sẽ là một hướng nghiên cứu quan trọng trong quá trình đánh giá khả năng ứng dụng của công nghệ.
Nguồn tham khảo: Azobuild.
Cem.Info
