Dùng vi khuẩn để tạo vật liệu làm mát pin xe điện trong ngày nóng 40 độ
Những đợt nắng nóng kéo dài với nhiệt độ vượt 40 độ C không chỉ gây áp lực lên con người mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của pin xe điện.
Trước bài toán ngày càng cấp bách này, các nhà khoa học Mỹ đã phát triển một loại vật liệu dẫn nhiệt mới được tạo ra nhờ vi khuẩn, hứa hẹn giúp pin xe điện tản nhiệt hiệu quả hơn, an toàn hơn và bền bỉ hơn trong tương lai.
Nắng nóng khiến pin xe điện xuống cấp nhanh hơn
Xe điện đang trở thành xu hướng của ngành giao thông toàn cầu, nhưng đi cùng với sự phát triển đó là những thách thức về hiệu suất và độ bền của bộ pin lithium-ion, bộ phận đắt giá nhất của chiếc xe.
Trong điều kiện hoạt động bình thường, pin xe điện luôn sinh nhiệt khi sạc hoặc cung cấp năng lượng cho động cơ. Hệ thống làm mát sẽ liên tục đưa lượng nhiệt này ra ngoài để duy trì nhiệt độ ổn định, đảm bảo hiệu suất và độ an toàn của các cell pin.
Tuy nhiên, khi nhiệt độ môi trường tăng cao, đặc biệt trong các đợt nắng nóng kéo dài với mức nhiệt từ 35 đến 40 độ C, khả năng tản nhiệt của pin giảm đáng kể. Điều này khiến nhiệt tích tụ nhanh hơn, làm gia tăng tốc độ lão hóa của pin và có thể ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của xe.
Các chuyên gia cho biết pin lithium-ion hoạt động hiệu quả nhất trong khoảng nhiệt độ từ 15 đến 35 độ C. Khi vượt ngưỡng này, các phản ứng hóa học bên trong pin diễn ra mạnh hơn, khiến vật liệu điện cực xuống cấp nhanh, đồng thời làm giảm khả năng lưu trữ năng lượng theo thời gian.
Không chỉ làm giảm tuổi thọ pin, nhiệt độ cao còn làm tăng nguy cơ mất ổn định nhiệt, hiện tượng có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng hoặc trong những trường hợp hiếm gặp là cháy pin.
Chính vì vậy, việc cải thiện khả năng quản lí nhiệt đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu quan trọng nhất của ngành công nghiệp xe điện.
Các nhà khoa học tại Đại học Tennessee và Đại học Akron (Mỹ) vừa công bố một giải pháp đầy hứa hẹn. Thay vì thay đổi cấu trúc pin, nhóm nghiên cứu tập trung cải tiến vật liệu trung gian truyền nhiệt, lớp vật liệu nằm giữa cell pin và hệ thống làm mát.
Bộ phận này có nhiệm vụ truyền nhiệt từ pin sang hệ thống làm mát nhanh nhất có thể. Nếu hiệu quả truyền nhiệt được nâng cao, pin sẽ duy trì nhiệt độ ổn định hơn ngay cả khi xe vận hành dưới điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Theo kết quả nghiên cứu, vật liệu mới có khả năng dẫn nhiệt cao gấp khoảng 10 lần so với nhiều vật liệu đang được sử dụng hiện nay.
Vi khuẩn tạo ra vật liệu dẫn nhiệt mới cho pin tương lai
Điểm đặc biệt của nghiên cứu nằm ở phương pháp chế tạo hoàn toàn khác biệt. Thay vì sử dụng các quy trình hóa học phức tạp hay nhiệt độ rất cao như trong sản xuất vật liệu công nghiệp truyền thống, nhóm nghiên cứu đã tận dụng khả năng tự nhiên của vi khuẩn.
Các nhà khoa học nuôi những chủng vi khuẩn đặc biệt bằng đường để chúng tạo ra cellulose vi khuẩn, một loại vật liệu sinh học gồm các sợi siêu mảnh có độ bền cao.
Sau đó, các sợi cellulose này được kết hợp với fluorographene, một dạng vật liệu hai chiều có khả năng dẫn nhiệt rất tốt nhưng gần như không dẫn điện.
Trong quá trình phát triển, vi khuẩn giúp các lớp fluorographene tự liên kết trực tiếp vào mạng lưới cellulose, tạo nên một cấu trúc có định hướng rõ ràng. Nhờ đó, nhiệt có thể truyền đi rất nhanh trong khi dòng điện gần như không thể đi qua.
Đặc tính này đặc biệt quan trọng đối với pin xe điện, bởi vật liệu vừa giúp làm mát hiệu quả vừa hạn chế nguy cơ chập điện giữa các bộ phận của bộ pin.
Theo trưởng nhóm nghiên cứu Weinan Xu thuộc Đại học Tennessee, cellulose vi khuẩn từng được sử dụng để chế tạo vật liệu dẫn nhiệt, nhưng đây là lần đầu tiên các nhà khoa học có thể để fluorographene phát triển trực tiếp bên trong cấu trúc sinh học mà vi khuẩn tạo ra.
Một ưu điểm đáng chú ý khác là toàn bộ quá trình sản xuất diễn ra trong nước ở nhiệt độ phòng, không cần sử dụng nhiều hóa chất độc hại hay các lò nung nhiệt độ cao như phương pháp sản xuất vật liệu truyền thống. Điều này không chỉ giúp giảm tiêu thụ năng lượng mà còn mở ra triển vọng sản xuất các vật liệu thân thiện hơn với môi trường.
Trong các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, vật liệu mới đạt khả năng dẫn nhiệt lên tới khoảng 6 watt trên mét-kelvin, mức rất ấn tượng đối với một vật liệu sinh học được sản xuất bằng quy trình đơn giản.
Dù vậy, nhóm nghiên cứu thừa nhận công nghệ vẫn còn ở giai đoạn đầu. Hiện nay, quá trình tạo ra một tấm vật liệu hoàn chỉnh vẫn mất từ vài ngày đến vài tuần, khiến chi phí sản xuất còn cao và chưa phù hợp với quy mô công nghiệp.
Mục tiêu tiếp theo của các nhà khoa học là rút ngắn đáng kể thời gian nuôi cấy vi khuẩn, đồng thời mở rộng quy trình để sản xuất hàng loạt phục vụ ngành điện tử và xe điện.
Nếu vượt qua được những rào cản về quy mô sản xuất, loại vật liệu sinh học này có thể trở thành một thành phần quan trọng trong thế hệ pin xe điện tương lai. Không chỉ giúp xe vận hành ổn định hơn dưới điều kiện nắng nóng ngày càng cực đoan do biến đổi khí hậu, công nghệ còn góp phần kéo dài tuổi thọ pin, giảm chi phí bảo dưỡng và tăng tính bền vững cho ngành công nghiệp xe điện đang phát triển mạnh trên toàn thế giới.
