Phát triển phương pháp tiêm hóa chất giúp 'hồi sinh' pin lithium-ion cũ tiết kiệm chi phí, bảo vệ môi trường

Hiện nay, pin lithium-ion là loại pin sạc phổ biến nhất, cung cấp năng lượng cho các phương tiện và vật dụng hàng ngày như xe điện, laptop, smartphone. Nhưng theo thời gian, chúng mất dần khả năng tích điện, trở nên kém hiệu quả và giảm độ tin cậy. Nguyên nhân là chúng mất đi các hạt tích điện, hay ion, giúp lưu trữ và giải phóng năng lượng bên trong pin.

Nhóm chuyên gia tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển trung tâm Toyota tại Nhật Bản tìm ra cách bổ sung những ion này và khôi phục đáng kể dung lượng gốc của pin, Interesting Engineering hôm 10/3 đưa tin. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Joule.

Cụ thể, họ tiêm một chất đặc biệt gọi là thuốc thử phục hồi vào pin. Chất này kích hoạt phản ứng hóa học tạo ra nhiều electron và ion lithium hơn. Đây là hai loại hạt tích điện giúp pin lưu trữ năng lượng. Nhờ bổ sung các hạt này, nhóm nghiên cứu có thể đảo ngược quá trình xuống cấp của pin và phục hồi 80% dung lượng ban đầu. Pin được khôi phục có thể duy trì hiệu suất trong 100 chu kỳ sạc - xả.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp mới trên nhiều loại pin lớn nhỏ khác nhau, bao gồm cả pin dùng cho ôtô. "Hiệu quả đã được xác minh không chỉ với pin cỡ nhỏ trong phòng thí nghiệm mà còn với pin lớn dùng cho ôtô", Nobuhiro Ogihara, nhà khoa học chính của nghiên cứu, cho biết.

Phương pháp mới có thể kéo dài tuổi thọ của pin lithium-ion, cho phép chúng được tái sử dụng trong xe điện hoặc thiết bị khác thay vì bị vứt bỏ hoặc trải qua quá trình tháo rời và tái chế phức tạp. Điều này giúp tiết kiệm chi phí, tài nguyên, đồng thời bảo vệ môi trường vì pin lithium-ion chứa những kim loại quý hiếm như cobalt và nickel, thường được khai thác theo cách không bền vững.

Tuy nhiên, phương pháp mới không dùng cho mọi loại pin xuống cấp mà chỉ hiệu quả với pin mất ion do sạc xả nhiều lần, không phải với pin hỏng cấu trúc hoặc gặp các dạng xuống cấp khác. Ngoài ra, cần có một phương pháp chẩn đoán chính xác trạng thái pin để quyết định xem chúng có phù hợp với việc tiêm hóa chất hay không.

Theo Jacqueline Edge, chuyên gia nghiên cứu quá trình pin xuống cấp tại Đại học Hoàng gia London, cần có những nghiên cứu dài hạn để hiểu thêm về tác dụng phụ tiềm ẩn cũng như độ an toàn của việc tiêm hóa chất vào pin. Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phương pháp mới, thu hút được sự quan tâm và tiền tài trợ từ một số công ty và cơ quan chính phủ.

Liên quan tới loại pin này, mới đây một nhóm nghiên cứu của giáo sư Xiulin Fan tại Đại học Chiết Giang (Trung Quốc) đã phát triển một chất điện phân mới cho phép pin lithium-ion sạc và hoạt động ở nhiệt độ thấp tới -80 độ C, IFL Science hôm 5/3 đưa tin. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Nature.

Các chất điện phân hiện tại có thể vận chuyển ion lithium và tương tác với cực anode than chì ở mức nhiệt khoảng 25 độ C, nhưng cả hai khả năng này đều suy giảm khi nhiệt độ xuống thấp. Chất điện phân nồng độ cao và một số chất thay thế khác không đóng băng ở mặt tiếp giáp của cực anode, nhưng lại sệt hơn và mang được ít điện tích hơn, làm giảm hiệu suất trong điều kiện bình thường.

Nhóm nghiên cứu của Xiulin Fan tìm hiểu hiệu suất của một loạt dung môi và phát hiện 3 dung môi với các phân tử dung môi siêu nhỏ có thể tạo thành những kênh vận chuyển Li+ thúc đẩy ion di chuyển nhanh. Hai trong số này không đáp ứng được các yêu cầu cơ bản khác của chất điện phân pin, nhưng dung môi còn lại, fluoroacetonitrile, dường như đáp ứng mọi tiêu chí cần thiết. Các phân tử dung môi nhỏ trong chất điện phân tạo thành hai lớp vỏ bao quanh ion lithium, cả hai lớp này đều nhỏ và dễ vận chuyển hơn so với các lớp trong chất điện phân carbonate loãng.

Pin fluoroacetonitrile có khả năng dẫn ion vượt trội ở nhiệt độ phòng, đồng thời sạc và xả tốt trong mức nhiệt -80 độ C đến 60 độ C. Ở mức -70 độ C, hiệu suất của nó đánh bại một số lựa chọn thay thế với hệ số khoảng 10.000 lần. Loại pin mới duy trì hiệu suất trong hơn 3.000 chu kỳ sạc xả ở mức nhiệt 6 độ C. Fan cho biết, pin có thể đạt 80% dung lượng khi sạc 10 phút.

Theo nhóm của Fan, công nghệ mới có thể phổ quát hóa và mở rộng sang những chất điện phân pin kim loại-ion khác. Điều này sẽ đem lại ích lợi cho các nhà vận hành lưới điện ở khu vực lạnh cần cân đối việc sản xuất năng lượng trong mùa đông.

Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đã dự báo tình trạng thiếu pin lithium vào năm 2024 do nhu cầu về xe điện tăng cao, cũng như trong bối cảnh trữ lượng toàn cầu bị đẩy về mức 0. Bên cạnh đó, việc khai thác lithium cũng là một quá trình tốn kém. Trước tình hình này, mới đây một nhóm các nhà khoa học của Đại học Fudan, Trung Quốc đã lần đầu tiên chế tạo ra pin dựa trên canxi có thể sạc và xả khoảng 700 lần ở nhiệt độ phòng. Đây được xem là giải pháp thay thế rẻ hơn, an toàn hơn cho pin lithium-ion (hay li-ion) đã có từ hơn 3 thập kỷ. Nhóm nghiên cứu cho biết trên tạp chí Nature, với lượng canxi dồi dào gấp 2.500 lần so với lithium, loại pin mới mang đến lựa chọn khả thi với mật độ năng lượng có thể tương đương. Pin có thể biến canxi hóa học thành một công nghệ lưu trữ năng lượng bền vững, đầy hứa hẹn. Nghiên cứu được kỳ vọng sẽ mở đường cho các công nghệ pin rẻ hơn và an toàn hơn pin lithium-ion trong khi vẫn cung cấp công suất năng lượng tương đương về mặt lý thuyết.

An Dương (T/h)