Ngày hôm nay, MIT tái định nghĩa lại bê tông để ngày mai, chung cư sẽ trở thành những cục pin khổng lồ

Các nhà khoa học đang cố gắng tái định nghĩa một vật liệu phổ biến trong ngành xây dựng. Tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nhóm nghiên cứu về bê tông dẫn điện ec3 (viết tắt của "electron-conducting carbon concrete", tạm dịch là "bê tông carbon dẫn được electron") vừa công bố bước đột phá giúp tăng dung lượng lưu trữ năng lượng gần gấp 10 lần so với phiên bản đầu tiên ra mắt năm 2023. Thành tựu này đưa con người tiến gần hơn tới viễn cảnh những công trình có thể tự lưu trữ và cung cấp điện năng, giống như các khối pin khổng lồ nằm giữa đô thị hiện đại.

Từ vật liệu xây dựng thông thường đến pin lưu trữ năng lượng

Năm 2023, MIT đã khiến ngành năng lượng để tâm khi công bố loại bê tông có thể hoạt động như siêu tụ điện. Cấu trúc của ec3 gồm xi măng, nước và carbon đen - một dạng vật liệu có khả năng dẫn điện cao. Sau khi trộn và để đông cứng, khối bê tông này được ngâm trong dung dịch điện phân (như kali clorua) để các hạt mang điện tích thấm vào mạng lưới carbon. Hai điện cực cũng được tạo thành từ loại bê tông đặc biệt, được ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng, sẽ hoạt động như một siêu tụ điện khổng lồ.

Tuy nhiên, phiên bản ban đầu chỉ có thể lưu trữ năng lượng trong quy mô nhỏ, nhưng sau hai năm tối ưu công thức, họ đã rút gọn thể tích lưu trữ xuống còn 5 mét khối mà vẫn đảm bảo cùng lượng điện năng. Hiện tại, mỗi mét khối ec3 (kích cỡ tương đương cái tủ lạnh) có thể lưu trữ hơn 2 kWh, đủ để vận hành một chiếc tủ lạnh thật trong 24 giờ.

Giải mã cấu trúc nano bằng công nghệ hiển vi tiên tiến

Để đạt được đột phá này, các nhà khoa học tại MIT đã sử dụng kỹ thuật FIB-SEM tomography - một phương pháp hiển vi 3D có độ phân giải cực cao để quan sát chi tiết mạng lưới carbon nano bên trong bê tông. Qua đó, họ hiểu rõ cách các hạt carbon đen hình thành hệ thống dẫn điện và tương tác với xi măng, từ đó tinh chỉnh cấu trúc để tăng diện tích bề mặt lưu trữ điện tích.

Tiếp đến, nhóm tiến hành thử nghiệm nhiều loại điện phân khác nhau để cải thiện khả năng tích trữ năng lượng. Kết quả, họ phát hiện ra sự kết hợp giữa muối amoni bậc bốn và ung môi dẫn điện acetonitrile có thể tạo ra môi trường điện hóa ổn định hơn, giúp tăng mật độ năng lượng đáng kể. Đồng thời, các điện cực dày hơn cũng được áp dụng để nâng dung lượng lưu trữ mà không cần qua bước xử lý hậu kỳ như trước đây.

Bê tông có thể "cảm nhận" và phản ứng với môi trường

Không đơn thuần lưu trữ điện, ec3 còn mở ra hướng phát triển mới: bê tông tự giám sát cấu trúc. Trong một thí nghiệm lấy cảm hứng từ kiến trúc La Mã cổ đại, nhóm MIT đã xây dựng một mô hình vòm thu nhỏ bằng ec3 để kiểm tra khả năng chịu lực và phát điện. Cấu trúc này trữ đủ điện phát sáng một đèn LED 9 V, chứng minh hiệu quả của vật liệu. Và khi các nhà khoa học đặt tải trọng lên vòm, ánh sáng chập chờn đã cho thấy điện áp bị dao động theo lực tác động.

Tiến sĩ Admir Masic, đồng Giám đốc trung tâm nghiên cứu ec3 và tác giả chính của công trình công bố trên tạp chí PNAS, cho biết: "Nếu một vòm ec3 ở quy mô kiến trúc thật bị tác động bởi gió mạnh hay tải trọng bất thường, sản lượng điện của nó có thể dao động. Chúng tôi có thể sử dụng tín hiệu đó để phát hiện mức độ căng thẳng hoặc giám sát tình trạng công trình theo thời gian thực".

Điều này có nghĩa là, trong tương lai, các tòa nhà được làm từ ec3 không chỉ tự tạo ra năng lượng, mà còn tự 'báo hiệu' khi bị hư hại hoặc quá tải – một khái niệm gợi mở cho thế hệ công trình thông minh.

Hướng tới hạ tầng năng lượng sạch và bền vững

Bê tông ec3 xuất hiện khi thế giới đang tìm kiếm các giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lớn. Dù pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao hơn, song chúng đòi hỏi nguồn tài nguyên hiếm, chi phí cao và khó tái chế. Ngược lại, bê tông là vật liệu rẻ, phổ biến và bền vững, có thể được ứng dụng trong hầu hết công trình dân dụng mà không cần thay đổi lớn về thiết kế.

Nhóm MIT kỳ vọng ec3 có thể được tích hợp vào móng nhà, tường hoặc nền đường, giúp tích trữ điện từ tấm pin mặt trời và tuabin gió khi năng lượng dư thừa, rồi cung cấp lại khi nhu cầu tăng cao. Nếu được thương mại hóa, công nghệ này có thể biến cả hạ tầng xây dựng thành hệ thống pin khổng lồ phân tán, góp phần ổn định lưới điện và giảm phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch.

MIT thừa nhận rằng ec3 chưa thể sánh ngang pin thương mại về mật độ năng lượng, nhưng đây là bước đầu tiên hướng tới tái định nghĩa công năng của vật liệu xây dựng. Từ nền móng cho đến vách tường, mỗi cấu trúc trong tương lai có thể vừa chống đỡ, vừa lưu trữ, vừa cảm nhận - một sự hòa quyện giữa kiến trúc, vật liệu học và năng lượng sạch.

Một thành phố thông minh, sử dụng năng lượng xanh trong tương lai có thể sẽ được xây bằng ec3, đột phá của ngày hôm nay.