MỸ – Nhu cầu về các khoáng sản cần thiết cho việc sản xuất pin lithium-ion đang tăng cao trong khi nguồn cung lại khan hiếm. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại đại học Cornell (Cornell university) đã phát triển một phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn nhằm khôi phục gần như toàn bộ vòng đời của các loại pin này sau khi chúng cạn năng lượng.

Bằng cách sử dụng một dung dịch điện hóa để tái tạo các điện cực, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng pin tái chế có thể khôi phục đến 95% công suất ban đầu và có tuổi thọ cao hơn khi tái sử dụng.

Quy trình tái chế mới có thể giảm đến 56% chi phí so với quy trình tái chế hiện tại và thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp truyền thống.

Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Energy and Environmental Science. Tác giả chính của nghiên cứu là Tiến sĩ Kiwon Kim.

Theo bà Vibha Kalra, Giáo sư kỹ thuật hóa học (giữ học vị Fred H. Rhodes) tại trường kỹ thuật Duffield (Cornell Duffield college of engineering) thuộc đại học Cornell kiêm trưởng dự án, trong nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp pin đã phụ thuộc vào mô hình tuyến tính ‘take-make-dispose’ (tạm dịch là ‘khai thác – sản xuất – thải bỏ’). Mô hình này kết thúc bằng việc chôn lấp pin đã qua sử dụng tại các bãi rác, nơi các chất độc hại của chúng có thể rò rỉ ra môi trường xung quanh hoặc dẫn đến nguy cơ hỏa hoạn.

Tuy nhiên, áp lực lên chuỗi cung ứng cũng là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc.

Giáo sư Kalra cho biết: “Khi pin lithium-ion mới có mặt trên thị trường, việc các khoáng sản này trong vỏ trái đất là có hạn đã không được cân nhắc, và không thể khai thác chúng mãi mãi. Trong những năm gần đây, các nhà lãnh đạo trong ngành đã nhận ra rằng không thể tiếp tục sản xuất pin vì không có đủ nguồn nguyên liệu.”

Giáo sư Kalra cho biết phương pháp tái chế pin lithium-ion truyền thống hiện nay chủ yếu: pin được nấu chảy ở nhiệt độ cao (luyện kim) để tạo ra hợp kim và xỉ nhằm thu hồi các kim loại có giá trị; hoặc pin sẽ bị nghiền nát, xé nhỏ thành một khối bột màu đen (thường được gọi là ‘black mass’) rồi xử lý qua phương pháp thủy luyện kim (sử dụng các axit mạnh để thu hồi các nguyên tố thiết yếu). Sau đó, các thành phần này được tổng hợp và chế tạo lại hoàn toàn từ đầu, một quy trình tốn kém và mất nhiều thời gian, kéo dài “vòng tuần hoàn” mà đáng lẽ các tài nguyên tái chế phải được giữ lại trong hệ thống thay vì thải bỏ.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Kalra đã phát triển phương pháp “direct electrode-to-electrode regeneration” (DEER, tạm dịch là ‘tái tạo trực tiếp từ điện cực sang điện cực’). Trong đó, các điện cực riêng lẻ của pin đã qua sử dụng được tháo rời ra khi vẫn còn nguyên vẹn và gắn liền với bộ thu dòng điện, sau đó được đặt vào một cell pin riêng biệt chứa dung dịch điện hóa: 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone. Dung dịch này sẽ hòa tan lớp cách điện dày, được gọi là pha bọc chất điện phân rắn (SEI – solid electrolyte interphase), vốn hình thành dần giữa cực dương và cực âm trong quá trình sạc xả, khiến dung lượng pin bị suy giảm theo thời gian.

Giáo sư Kalra nói rằng: “Nhóm nghiên cứu sửa chữa pin khi ở trạng thái nguyên bản mà không cần nghiền nát hay xay thành bột, rồi đưa chúng trở lại vào một viên pin mới. Quá trình hòa tan này về cơ bản giúp pin khôi phục lại dung lượng. Thử nghiệm cho thấy mức độ phục hồi đạt 95%, nghĩa là nhóm đã rút ngắn đáng kể vòng tuần hoàn tài nguyên.”

Giáo sư Kalra và tiến sĩ Kim đã hợp tác cùng cô Shuwen Yue, trợ lý Giáo sư tại trường kỹ thuật hóa học và sinh phân tử Robert Frederick Smith đồng tác giả bài báo, người đã giúp họ hiểu rõ hơn về động lực học dung môi hóa khi lớp SEI bị hòa tan. Sau đó, bằng cách sử dụng phần mềm mã nguồn mở được phát triển bởi các đối tác nghiên cứu tại trung tâm ReCell (ReCell centre) thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Argonne national laboratory), nhóm đã tiến hành phân tích kỹ thuật – kinh tế và đánh giá tác động môi trường để xác định tiềm năng của công nghệ DEER.

Kết quả phân tích cho thấy công nghệ này sẽ giảm 56% chi phí sản xuất cell pin tái chế, đồng thời giảm lượng chất gây ô nhiễm không khí độc hại và lượng nước sử dụng so với các quy trình hỏa luyện hay thủy luyện.

Bước tiếp theo của dự án sẽ là thử nghiệm công nghệ DEER trên các dòng pin công nghiệp, cũng như các dạng suy thoái pin khác, như hiện tượng hao hụt lithium.

Giáo sư Kalra kết luận: “Hiện tại, các viên pin đã qua sử dụng mà chúng tôi đang xử lý có trạng thái sức khỏe (SOH – state of health) (*) từ 70–80%, mức tiêu chuẩn thường thấy trong các ứng dụng xe điện. Do đó, nhóm nghiên cứu có thể mở rộng phạm vi xử lý này nếu giải quyết được thêm các cơ chế suy thoái khác”.
(*) State of health (SoH): Trong ngành công nghệ pin và xe điện, SoH là chỉ số đo lường khả năng lưu trữ năng lượng hiện tại của pin so với lúc nó còn mới 100%. Ví dụ, nếu một viên pin xe điện lúc mới mua chạy được 400 km, sau vài năm sử dụng, chỉ số SoH giảm xuống còn 80%, nghĩa là bây giờ nó chỉ còn tích đủ điện để chạy được tối đa 320 km (mất đi 20% dung lượng ban đầu).

Để xem các tin bài khác về “Tái chế pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online