MỸ – Trong tình hình nhu cầu toàn cầu về pin lithium-ion tiếp tục tăng cao, một nhóm nghiên cứu tại đại học Rice đã phát triển một phương pháp nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn để thu hồi các khoáng sản quan trọng từ pin đã qua sử dụng. Giải pháp này hướng tới giảm bớt áp lực cho chuỗi cung ứng và hạn chế tối đa các tác hại tới môi trường.

Sinh viên Simon M. King tại viện vật liệu tiên tiến Rice

Trong một nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Small, các nhà nghiên cứu đến từ khoa khoa học vật liệu và kỹ thuật Nano của đại học Rice đã giới thiệu một nhóm dung dịch gốc nước có khả năng chiết xuất các kim loại quý từ pin đã qua sử dụng chỉ trong vài phút thay vì vài giờ. Trọng tâm của nghiên cứu xoay quanh các dung dịch lỏng của hợp chất amino chloride. Chúng có khả năng mô phỏng hiệu suất của các dung môi xanh vốn đang được nghiên cứu rộng rãi (như dung môi eutectic sâu – DES), nhưng lại khắc phục được những hạn chế của loại dung môi này.

Anh Simon M. King, tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: “Các phương pháp tái chế truyền thống thường phụ thuộc vào các loại axit mạnh độc hại hoặc các quy trình xử lý chậm chạp, tiêu tốn nhiều năng lượng”. Anh King là sinh viên năm hai ngành kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học, đồng thời hoàn thành công trình này với tư cách là nghiên cứu sinh mùa hè tại viện vật liệu tiên tiến Rice. Anh King nói rằng: “Nhóm nghiên cứu đã chứng minh được rằng có thể thu hồi kim loại với hiệu suất cao và tốc độ nhanh chóng nhờ vào việc sử dụng một hệ thống gốc nước đơn giản”.

Anh King đã hợp tác với các tác giả chịu trách nhiệm chính (corresponding authors) là Giáo sư Pulickel Ajayan, Giáo sư kỹ thuật mang danh hiệu Benjamin M. và Mary Greenwood Anderson, cùng Tiến sĩ Sohini Bhattacharyya, nhà khoa học nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Ajayan.

Anh Simon King và cô Sohini Bhattacharyya, nhà khoa học nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Pulickel Ajayan

Pin lithium-ion hiện là nguồn năng lượng vận hành cho rất nhiều thiết bị, từ điện thoại thông minh cho đến xe điện, nhưng việc tái chế chúng vẫn là một vấn đề lớn trên thế giới. Hiện tại, chỉ có một tỷ lệ rất nhỏ các vật liệu pin, bao gồm lithium, cobalt, nickel và manganese, được thu hồi thành công trong quá trình tái chế, trong khi nhu cầu tiêu thụ ngày càng tăng và trữ lượng toàn cầu thì có hạn.

Tái chế theo phương pháp thủy luyện (hydrometallurgical recycling), quy trình hòa tan kim loại vào dung dịch rồi tiến hành kết tủa hóa học, được xem là một trong những phương pháp có khả năng mở rộng quy mô tốt nhất. Dẫu vậy, các dung môi thông thường được sử dụng lại tiềm ẩn nguy cơ độc hại, còn các dung môi xanh thay thế đang được đề xuất lại thường kém hiệu quả. Để giải quyết vấn đề này, đội ngũ nghiên cứu tại đại học Rice đã thử nghiệm các muối amino chloride gốc nước đóng vai trò làm các “lixiviant” (chất trung gian hỗ trợ hòa tan), hay còn gọi là tác nhân ngâm chiết thay thế. Trong số các phương án được đưa vào thử nghiệm, dung dịch dựa trên hợp chất hydroxylammonium chloride (HACl) đã mang lại hiệu suất vượt trội hơn cả.

Anh King nói rằng: “Nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên trước tốc độ của phản ứng, đặc biệt là khi không cần đến tác động của nhiệt độ cao. Ngay trong phút đầu tiên, nhóm đã chứng kiến phần lớn quá trình chiết xuất kim loại hoàn thành.”

Dung dịch dựa trên hợp chất HACl đã đạt tỷ lệ chiết xuất gần 65% các kim loại chính trong pin chỉ trong vòng một phút ở nhiệt độ phòng. Hiệu suất này còn tăng lên trên 75% đối với một số kim loại khi tăng thời gian xử lý thêm một chút. Không như nhiều phương pháp hiện nay, quy trình này không cần nhiệt độ cao hay thời gian phản ứng kéo dài, hai yếu tố chính làm tăng chi phí và gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.

Giáo sư Ajayan chia sẻ: “Một lợi thế lớn của hệ thống này là nó hoạt động trong các điều kiện tương đối ôn hòa. Điều đó mở ra tiềm năng cho các công nghệ tái chế bền vững hơn và dễ dàng mở rộng quy mô công nghiệp hơn.”

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng việc thay thế các dung môi hữu cơ truyền thống bằng nước đã làm giảm đáng kể độ nhớt (độ đặc của chất lỏng), giúp các phân tử chuyển động nhanh hơn và tăng tốc độ phản ứng. Sự thay đổi này cũng giúp đơn giản hóa quy trình xử lý chất thải và giảm rủi ro cho môi trường.

Thông qua việc kết hợp giữa thực nghiệm và mô hình hóa, các nhà nghiên cứu đã làm rõ lý do tại sao dung dịch HACl lại hoạt động hiệu quả đến vậy: mặc dù tính axit và các ion chloride hỗ trợ đắc lực trong việc hòa tan kim loại, nhưng yếu tố chính lại nằm ở trung tâm nitơ hoạt động oxy hóa – khử (redox-active nitrogen centre) được tích hợp sẵn trong HACl, đóng vai trò tham gia trực tiếp vào phản ứng.

Tiến sĩ Bhattacharyya chia sẻ: “Mặc dù khả năng hòa tan kim loại siêu tốc này rất thú vị, nhưng điều khiến nhóm hào hứng nhất là nghiên cứu này đã làm nổi bật các đặc tính hóa học chung, những động lực chính thúc đẩy quá trình ngâm chiết hiệu quả. Khả năng phản ứng oxy hóa – khử đó mang lại cho dung dịch này một lợi thế vượt trội so với các hệ thống tương tự khác mà nhóm đã thử nghiệm.”

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các yếu tố như độ phân cực của dung môi hay độ pH có thể trở nên kém quan trọng hơn khi có sự xuất hiện của các nhóm hóa học phản ứng mạnh và quá trình truyền khối (mass transport – sự dịch chuyển của các chất) diễn ra hiệu quả, giúp thúc đẩy quá trình ngâm chiết diễn ra nhanh chóng.

Sau khi chiết xuất, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng các kim loại thu hồi được hoàn toàn có thể tái chế thành vật liệu mới để sản xuất pin, khép kín quy trình tái chế. Những phát hiện này mở ra một chiến lược thiết kế rộng lớn hơn cho các hệ thống tái chế thế hệ tiếp theo: kết hợp các dung môi có độc tính thấp với các chức năng hóa học chuyên biệt để tối đa hóa hiệu suất.

Để xem các tin bài khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online

Lưu ý: 

Để xem và khai thác hiệu quả nội dung của video clip nói trên (từ YouTube/ một dịch vụ của Google), Quý vị có thể thực hiện các bước sau:
1. Nếu tốc độ internet nhanh, có thể mở chế độ xem toàn màn hình bằng cách nhấn vào khung [ ] tại góc phải (phía dưới góc phải của video)
2. Chọn chế độ hình ảnh tốt nhất của đoạn video, hãy click vào hình bánh xe răng cưa và chọn chất lượng cao hơn (hoặc HD) theo ý muốn
3. Để hiển thị nội dung phụ đề, nhấn vào nút biểu tượng phụ đề [cc]. Một số video không có chức năng này sẽ không có biểu tượng phụ đề.
4. Quý vị có thể nghe hiểu tiếng Anh và có nhu cầu chia sẻ thông tin đến cộng đồng, hãy hỗ trợ techMAG biên dịch nội dung video và gửi cho chúng tôi để có cơ hội đăng thông tin lên technologyMag.net