Theo các phương tiện truyền thông, các nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan đã phát hiện ra một loại carbon trong tro gạo cháy. Loại carbon “cứng” bền vững này có hiệu suất tốt hơn so với đồ án thông thường trong các điện cực pin, gần như có khả năng gấp đôi mật độ năng lượng của pin lithium-ion hoặc sodium-ion thông thường.
Hình ảnh hiển thị cấu trúc mạng carbon xốp còn lại sau khi loại bỏ silic từ tro gạo (Nguồn: Đại học Michigan)
Đây là lần đầu tiên chứng minh rằng carbon cứng có thể được sản xuất thông qua quá trình đốt cháy. Trước đây, người ta cho rằng carbon cứng chỉ có thể được chế tạo bằng cách đun nóng sinh khối, như các chất thải nông nghiệp, ở nhiệt độ khoảng 1200°C trong môi trường không có oxy như khí ni-tơ hoặc khí argon. Quy trình này cũng bền vững hơn so với sản xuất than chì từ sinh khối. Để sản xuất than chì từ sinh khối, cần phải đun nóng tới 2000°C hoặc cao hơn, và mỗi tấn than chì cấp pin sản xuất ra 5-10 tấn khí carbon dioxide.
Trong các nghiên cứu trước đây, nhóm nghiên cứu đã trình bày phương pháp loại bỏ một phần silic dioxide trong tro gạo, mà trong đó, tro gạo chứa khoảng 90% silic dioxide và 10% carbon. Silic dioxide này có thể được sử dụng để sản xuất silic tinh khiết cao dùng trong pin năng lượng mặt trời hoặc chất bán dẫn. Sau khi loại bỏ một phần silic dioxide từ tro gạo thông qua quá trình phân hủy, hàm lượng carbon trong phần tro còn lại khoảng 60%-70%.
Dựa trên các mẫu được tạo ra khi chiếu xạ vật liệu bằng tia X, người ta nhận định rằng carbon còn lại là vô định hình và lộn xộn, được gọi là carbon vô định hình. Tuy nhiên, các kỹ thuật quang phổ phản ánh các chi tiết ở mức độ phân tử đã tiết lộ sự tồn tại của các đảo nano graphite trong cơ sở carbon vô định hình. Hỗn hợp carbon vô định hình có chứa graphite này được gọi là carbon cứng. Giáo sư Richard Laine từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Khoa học và Kỹ thuật Đại phân tử của Đại học Michigan cho biết: “Trong trường hợp này, carbon cứng có thể được tạo ra thông qua quá trình đốt. Khi đốt carbon trong vỏ gạo, một lớp silic dioxide sẽ hình thành xung quanh carbon còn lại và sau đó được nướng như bánh nướng”.
Các thử nghiệm cho thấy, carbon cứng thu được từ tro gạo khi được sử dụng làm cực dương cho pin lithium-ion (điểm mà điện tích ra khỏi pin) có hiệu suất điện hóa tốt hơn so với carbon cứng thương mại và than chì. Một gram carbon cứng thương mại có thể hấp thụ đủ liti để lưu trữ khoảng 500mAh (mAh là đơn vị mô tả dung lượng lưu trữ của pin). Trong khi đó, một gram than chì có thể hấp thụ khoảng 370mAh. Carbon cứng từ tro gạo vượt xa cả hai, với dung lượng lưu trữ vượt quá 700mAh, gần như gấp đôi so với than chì.
Các nhà nghiên cứu cho rằng cấu trúc nano lỗ của carbon cứng tách biệt này giúp nâng cao khả năng lưu trữ liti. Việc chuyển đổi chất thải nông nghiệp thành sản phẩm carbon cứng hữu ích từ tro gạo có thể giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về pin cho xe điện và lưu trữ năng lượng tái tạo không liên tục, đồng thời giảm chi phí và khí thải.
Công trình của Đại học Michigan chủ yếu được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ và Trung tâm Nghiên cứu & Phát triển Mercedes-Benz Bắc Mỹ. Ngoài ra, nghiên cứu này còn có sự tham gia của Sylvio Indris từ Viện Công nghệ Karlsruhe (Đức). Wadham Energy đã cung cấp tro gạo được sử dụng trong nghiên cứu này. Trung tâm Đặc tính Vật liệu Michigan đã thực hiện một phần nghiên cứu về quy trình này.
