Thử nghiệm phục hồi một khối pin lithium đã kiệt - Ảnh: scientificamerican.com
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc vừa công bố một phương pháp mới có khả năng "hồi sinh" những viên pin lithium-ion đã cạn kiệt, qua đó mở ra triển vọng giảm đáng kể lượng rác thải điện tử từ xe điện và nhu cầu sản xuất pin mới.
"Công trình này mang tính cách mạng vì nó đưa ra một ý tưởng mới để tái sử dụng pin đã hết vòng đời", theo giáo sư Jiangong Zhu từ Đại học Đồng Tế ở Thượng Hải, người chuyên nghiên cứu về pin xe điện và không tham gia vào nghiên cứu mới, với nội dung được công bố gần đây trên tạp chí Nature.
Theo Chương trình Phát triển Liên Hợp Quốc (UNDP), lượng pin lithium-ion đã sử dụng tới mức cạn kiệt cần xử lý có thể tăng vọt từ 900.000 tấn trong năm nay lên đến 20,5 triệu tấn vào năm 2040. Theo ông Huang Jianzhong, Chủ tịch Hiệp hội Công nghệ Tiết kiệm Năng lượng Điện tử Trung Quốc, là quốc gia đi đầu thế giới trong việc triển khai xe điện, Trung Quốc hiện đang xử lý khoảng 2,8 triệu tấn pin thải mỗi năm.
Trước viễn cảnh thị trường tiêu dùng và lượng rác thải tăng nhanh, nhà hóa học Yue Gao tại Đại học Phục Đán cùng các cộng sự đã dự đoán nhu cầu xử lý lớn đối với các loại pin, nhất là pin xe điện.
Thông thường, pin xe điện sẽ chạm đến giới hạn sử dụng - tức khi dung lượng của nó giảm xuống dưới 80% so với ban đầu - sau khoảng 8 đến 10 năm vận hành. Chi phí pin chiếm khoảng 40% tổng giá trị của cả chiếc xe.
Nhóm nghiên cứu của Gao muốn tìm một phân tử có thể "truyền" ion lithium trở lại quả pin đã cạn kiệt. "Chúng tôi hoàn toàn không biết loại phân tử nào có thể làm được điều đó, hay cấu trúc hóa học của nó sẽ ra sao. Vì vậy chúng tôi đã sử dụng trí tuệ nhân tạo để hỗ trợ", theo lời nghiên cứu sinh tiến sĩ Chihao Zhao tại Đại học Phục Đán, thành viên trong nhóm của Gao.
Nhóm đã sử dụng một mô hình AI được huấn luyện dựa trên các quy luật hóa học, kết hợp với cơ sở dữ liệu các phản ứng điện hóa, nhằm tìm ra những phân tử đáp ứng tiêu chí: Dễ hòa tan trong dung dịch điện phân và chi phí sản xuất thấp. Kết quả, AI đề xuất ba ứng viên, trong đó có một loại muối mang tên lithium trifluoromethanesulfinate (LiSO₂CF₃) được xác định là tối ưu.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm muối lithium-ion này bằng cách hòa tan nó vào dung dịch điện phân - môi trường giúp các ion di chuyển giữa hai cực của pin. Gao ví phương pháp này như truyền dịch cho bệnh nhân. "Nếu chúng ta có thể tiêm thuốc để giúp người bệnh hồi phục, thì tại sao không thể cung cấp liều 'tiên dược' như vậy cho pin đã cạn kiệt?"
Kết quả cho thấy hợp chất này có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin lithium iron phosphate (pin sắt - LFP), vốn là loại thường dùng trong xe điện. Một pin LFP điển hình có thể sạc và xả khoảng 2.000 lần trước khi được xem là "chết".
Tuy nhiên, bằng cách bổ sung dung dịch điện phân khi pin sắp chạm ngưỡng này, nhóm nghiên cứu đã khôi phục phần lớn dung lượng của pin - giúp nó hoạt động gần như mới. Cuối thí nghiệm, pin đạt 96% dung lượng sau gần 12.000 chu kỳ sạc-xả.
Một thử nghiệm tiếp theo còn cho thấy phương pháp này cũng có hiệu quả với pin lithium-ion NMC (gồm nickel, mangan và cobalt).
Hiện tại, Đại học Phục Đán đang hợp tác với công ty sản xuất vật liệu pin Zhejiang Yongtai tại Trung Quốc để thương mại hóa công nghệ này. Gao hình dung sự hợp tác sẽ cho ra đời một hệ thống "trạm tăng lực cho pin", nơi các chủ xe điện có thể đưa pin cũ đến để phục hồi.
Theo nhận định của giáo sư Chenguang Liu tại Đại học Giao thông Tây An -Liverpool, đây là ý tưởng "đầy hứa hẹn". Tuy vậy, ông lưu ý rằng phương pháp mới vẫn còn một số thách thức, chẳng hạn như phải đảm bảo tương thích với nhiều loại chất hóa học liên quan tới pin khác nhau, và quan trọng hơn, là phải kiểm định an toàn cho các quả pin đã được hồi sinh.
Ngoài ra, nguồn điện của xe điện không chỉ gồm một pin đơn lẻ mà là cả một hệ thống gồm hàng trăm, thậm chí hàng ngàn viên pin, kết hợp cùng hệ thống kiểm soát nhiệt và các thành phần phức tạp khác. "Hiện tại, chúng tôi mới chỉ thử nghiệm trên các viên pin đơn lẻ nên sẽ cần tìm cách áp dụng cho toàn bộ cụm pin", Gao nói.
Theo chuyên gia Hans Eric Melin, giám đốc điều hành của công ty tư vấn Circular Energy Storage có trụ sở tại London, phương pháp của Gao là một trong những cách tiếp cận gần nhất với "tái chế trực tiếp" pin xe điện ở Trung Quốc.
Melin cho rằng phương pháp này có thể mang lại tiềm năng thương mại - dù thị trường có thể không quá lớn vì pin xe điện có tuổi thọ lên tới 15 năm. Ông cũng chỉ ra rằng các cụm pin trên xe điện cần được thiết kế lại để cho phép việc tiêm dung dịch điện phân.
"Câu hỏi đặt ra là liệu những lợi ích mang lại có đủ lớn để bù đắp cho sự thay đổi về thiết kế, yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của pin hay không?" ông cho biết.
Đăng ký tại đây
Bình luận hay