Đột phá may mắn là mắt xích còn thiếu của kỷ nguyên xe điện

Vào những năm 1970, tiến sĩ Donald Highgate đã tìm ra cách giúp kính áp tròng thoải mái hơn. Cùng với các đồng nghiệp tại trường Đại học Surrey, ông đã phát triển một lớp cao phân tử mềm, dẻo, có khả năng giữ nước như một miếng bọt biển.

Ngày nay, cũng với công nghệ đó đã tạo ra một vật liệu siêu tụ mới có thể đẩy nhanh sự phổ biến của những chiếc xe điện, đồng thời giúp giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất của năng lượng tái tạo.

Thay vì lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa học như pin, các siêu tụ tích điện trong một điện trường, giống như việc thu tĩnh trên một quả bóng. Năm 2011, Elon Musk của Tesla dự đoán rằng siêu tụ điện, chứ không phải pin, sẽ cung cấp năng lượng cho những chiếc xe trong tương lai.

Tiến sĩ Sam Cooper từ Trường Thiết kế Kỹ thuật Dyson cho biết các siêu tụ điện giúp sạc nhanh hơn và không dựa vào các vật liệu đắt tiền như lithium hay coban. Chúng cũng bền hơn. Ông giải thích: "Các siêu tụ có tuổi thọ rất dài, bạn có thể sạc và sử dụng chúng rất nhiều lần".

Vấn đề là thiếu mật độ năng lượng. Các siêu tụ điện tốt nhất hiện nay chỉ tích được 5% năng lượng mỗi kilogram pin lithium ion. Một tuyến xe buýt chạy bằng năng lượng của siêu tụ điện ở Thượng Hải là minh chứng cho vấn đề này. Mặc dù chúng có thể sạc trong vòng chưa đầy 30 giây vào thời điểm trả khách, chúng vẫn cần phải sạc ở mỗi điểm dừng. Tuy nhiên điều này có thể sẽ thay đổi.

Công ty Superdielectrics Ltd đã phát triển một vật liệu siêu tụ điện có thể lưu trữ "một lượng năng lượng điện đáng kể", vượt xa những gì chúng ta đã thấy trước đây", Giám đốc điều hành Jim Heathcote cho biết. Nó được sản xuất với giá khá rẻ, không sử dụng các nguyên tố hiếm, nguyên liệu chủ yếu là nước, và không bắt lửa như pin truyền thống. Cũng theo Giám đốc nghiên cứu của công ty thì phát hiện này khá tình cờ.

Các kính áp tròng cơ bản dựa trên các lưới polyme, lưới này căng lên khi ngậm thêm các phân tử nước và giữ nhiều nước hơn ở các lỗ trong lưới. Bằng cách thêm các thành phần khác vào hỗn hợp, ông đã có thể tạo ra nhiều thuộc tính mới cho polyme. Trong những năm 1990, ông và Heathcote đã phát triển một biến thể với các thuộc tính có thể được sử dụng cho các tế bào nhiên liệu hydro.

Pin rắn là gì? Những lợi ích đã được giải thích

Đến năm 2016, họ đã thử làm các lưới polime dẫn điện hơn với mục tiêu tạo các ứng dụng sinh học, ví dụ giao diện giữa hệ thống thần kinh và chân tay giả. Tuy nhiên, khi họ kiểm tra vật liệu polyme mới - một tấm mỏng hình vuông màu xanh nhạt có kích thước bằng một chiếc tem bưu chính - một điều kỳ lạ đã xảy ra.

Highgate nhớ lại đã viết một vài con số ở mặt sau một chiếc phong bì. "Tôi đã tính toán và nghĩ, "Điều quái quỷ gì thế này, thật là lố bịch", anh nhớ lại. "Điện dung này gấp 100 lần con số thông thường cho một vật nhỏ có diện tích 1cm2. Tôi nghĩ mình đã phạm sai lầm".

Họ tình cờ tạo ra vật liệu với tính chất điện môi lớn hơn khoảng từ 1.000 tới 10.000 lần so với các dây dẫn hiện có. Trong 14 tháng qua, Superdielectrics đã làm việc với các nhà nghiên cứu ở các trường đại học Bristol và Surrey để xác định liệu các polyme của họ có hoạt động trong điều kiện thực tế hay không.

Các nhà khoa học đã tạo ra các thiết bị nhỏ có thể cấp điện cho quạt hoặc đèn LED trong vài phút và cho rằng với những nghiên cứu trong thương lai, vật liệu này có thể đạt tới mật độ năng lượng lên đến 180 watt giờ trên một kilôgam, so với 10 Whr /kg đối với siêu tụ điện tốt nhất hiện có.

Điều đó sẽ khiến siêu tụ điện có thể thay thế cho pin lithium-ion. Điều này cũng có nghĩa là điện thoại thông minh có thể sạc chỉ trong vài giây, các xe điện sẽ rẻ, an toàn hơn và có thể được xạc đầy trong vài phút giống như thời gian bạn dành cho việc đổ đầy bình xăng. Thay vì sạc ở mỗi điểm dừng, những chiếc chiếc xe buýt ở Trung Quốc có thể chạy tới 20 hay 30 lượt trước khi hết pin.

Theo Tiến sĩ Jenifer Baxter tại Viện cơ khí Hoa Kỳ, việc rút ngắn thời gian sạc cũng có thể đẩy nhanh việc áp dụng các phương tiện điện. "Nếu bạn có thể giảm thời gian sạc và vẫn có thể duy trì việc vận hành trong khoảng thời gian sạc đó, thì chắc chắn sẽ làm giảm lo lắng của người dân về xe điện".

Phanh tái tạo là một ứng dụng tiềm năng khác. Cooper, người không tham gia nghiên cứu nói: "Pin không thích hợp với việc được sạc nhanh". Các siêu tụ điện là giải pháp hoàn hảo, và có thể giúp làm cho xe điện chạy hiệu quả hơn.

Vẫn nhiều rào cản tiềm ẩn cần vượt qua. Mặc dù vật liệu này có sức cạnh tranh với pin về trọng lượng, Cooper chỉ ra rằng kích thước cũng sẽ quan trọng nếu chúng sẽ được sử dụng trong xe. Điều này chưa được nghiên cứu nhưng Highgate ước tính khối lượng của một siêu tụ điện được sử dụng công nghệ này sẽ lớn hơn khoảng 30%  so với loại pin tương đương.

Pin sử dụng năng lượng tái tạo có thể dần kết thúc thời kỳ nhiên liệu hóa thạch

Theo Highgate "Gót chân Achilles" của siêu tụ điện là khả năng rò rỉ bên trong của chúng. Mặc dù pin có thể dự trữ năng lượng trong vài tuần hoặc vài tháng, nhưng các siêu tụ chỉ có thể làm như vậy trong vài giờ hoặc vài ngày trước khi cạn. Điều đó có thể không thành vấn đề đối với một số ứng dụng, nhưng sẽ là vấn đề đối với xe điện nếu chúng không được sử dụng trong vài ngày. Việc kết hợp các siêu tụ điện với pin dự phòng có thể là một giải pháp.

Hầu hết mọi người đều nhận thấy ứng dụng đầu tiên của công nghệ này không dành cho ô tô, mà là một phần quan trọng nền tảng sạc điện. "Khoảng một nửa dân số không sống ở nơi mà họ có thể sạc điện qua đêm", Tim Martin, giám đốc của Zapinamo, nơi đang phát triển các trạm sạc điện linh hoạt cho biết. Martin phân tích mạng lưới điện quốc gia có thể sẽ phải căng mình để cung cấp điện ở tốc độ yêu cầu.

Các đơn vị lưu trữ lớn có đầy đủ các siêu tụ điện có thể bắt đầu tại các trạm dịch vụ, và hoạt động như một bộ đệm giữa các xe điện và lưới điện. Chúng có thể sạc từ từ, ngoài những giờ cao điểm khi giá điện rẻ hơn và sau đó chuyển năng lượng sang nhiều xe khác nhau rất nhanh khi được yêu cầu. Martin cho biết: "Năng lượng lưu trữ là cách duy nhất để bạn có thể kết hợp sức mạnh tức thời với tốc độ sạc, và giải quyết hàng loạt lo lắng".

Bởi vì năng lượng mặt trời và gió là không thể đoán trước, điện chúng sinh ra cần phải được lưu trữ để có thể được dùng trong thời gian lặng gió. Cooper nói: "Khi mọi người dùng cùng sử dụng nước sau bữa ăn tối, nhu cầu tăng đột ngột, lúc này sẽ lấy nước ở đâu". Tại thời điểm đó, điều này được thực hiện chủ yếu bằng cách bơm nước lên cao và chạy qua các tuabin khi cần năng lượng, nhưng các siêu tụ điện cung cấp tính linh hoạt hơn nhiều bởi vì chúng có thể đáp ứng rất nhanh."Gió, sóng, và năng lương mặt trời vẫn sẵn có nhưng không liên tục và, không lưu trữ, nên không thể dựa vào đó để đáp ứng nhu cầu năng lượng", Highgate nói. "Phát hiện mới này sẽ biến đổi hệ thống năng lượng làm cơ sở cho cuộc sống của chúng ta – Đó là sự phát triển cần thiết trước khi chúng ta và con cái của chúng ta có được nguồn cung cấp năng lượng an toàn và thân thiện với môi trường".