Vật liệu tự lắp ráp mới có thể là chìa khóa cho pin EV có thể tái chế

Các nhà nghiên cứu MIT đã thiết kế ra một chất điện phân có thể tan rã vào cuối vòng đời pin, giúp việc tái chế các thành phần trở nên dễ dàng hơn

Cuộc bùng nổ của xe điện ngày hôm nay có thể trở thành một ngọn núi rác điện tử trong tương lai. Và mặc dù có rất nhiều nỗ lực đang được tiến hành để cải thiện tái chế pin, nhiều pin EV vẫn kết thúc ở bãi chôn lấp.

Một nhóm nghiên cứu từ MIT muốn thay đổi điều đó với một loại vật liệu pin tự lắp ráp mới có thể nhanh chóng phân rã khi ngập trong một dung môi hữu cơ đơn giản. Trong một bài báo mới đăng trên Nature Chemistry, các nhà nghiên cứu cho thấy vật liệu này có thể hoạt động như chất điện phân trong một tế bào pin solid-state hoạt động và sau đó quay trở lại dạng các thành phần phân tử ban đầu trong vài phút.

Cách tiếp cận này đưa ra một phương án thay thế cho việc xé nhỏ pin thành một khối hỗn hợp khó tái chế. Thay vào đó, vì chất điện phân đóng vai trò là lớp kết nối trong pin, khi vật liệu mới trở về dạng phân tử ban đầu, toàn bộ pin sẽ tự tháo rời để thúc đẩy quá trình tái chế.

“Cho đến nay trong ngành pin, chúng ta tập trung vào các vật liệu và thiết kế hiệu suất cao, và chỉ sau đó mới cố gắng tìm cách tái chế những pin làm từ các cấu trúc phức tạp và vật liệu khó tái chế,” tác giả chính của bài báo Yukio Cho PhD ’23 nói. “Cách tiếp cận của chúng tôi là bắt đầu với các vật liệu dễ tái chế và tìm cách làm cho chúng tương thích với pin. Thiết kế pin để dễ tái chế ngay từ đầu là một hướng tiếp cận mới.”

Tham gia cùng Cho trong bài báo còn có nghiên cứu sinh Cole Fincher, Ty Christoff-Tempesta PhD ’22, Kyocera Professor of Ceramics Yet-Ming Chiang, Visiting Associate Professor Julia Ortony, Xiaobing Zuo, và Guillaume Lamour.

Pin tốt hơn

Có một cảnh trong một bộ phim “Harry Potter” nơi Giáo sư Dumbledore dọn dẹp một ngôi nhà ọp ẹp chỉ bằng một cái vung tay và một câu thần chú. Cho nói rằng hình ảnh đó đã ám ảnh anh khi còn nhỏ. (Còn gì tuyệt hơn để dọn phòng?) Khi anh xem một bài nói chuyện của Ortony về việc thiết kế các phân tử để chúng có thể tự lắp thành các cấu trúc phức tạp rồi sau đó trở lại dạng ban đầu, anh tự hỏi liệu điều đó có thể được dùng để khiến việc tái chế pin diễn ra như phép màu hay không.

Đó sẽ là một bước ngoặt cho ngành pin. Hiện nay, việc tái chế pin đòi hỏi các hóa chất khắc nghiệt, nhiệt độ cao và quy trình xử lý phức tạp. Có ba phần chính của một pin: cathode dương, electrode âm, và chất điện phân chuyển các ion lithium giữa chúng. Các chất điện phân trong hầu hết pin lithium-ion rất dễ cháy và phân hủy theo thời gian thành các sản phẩm phụ độc hại đòi hỏi xử lý chuyên dụng.

Để đơn giản hóa quá trình tái chế, các nhà nghiên cứu quyết định tạo ra một chất điện phân bền vững hơn. Đối với việc đó, họ chuyển sang một lớp phân tử tự lắp trong nước, gọi là aramid amphiphiles (AAs), có cấu trúc và độ ổn định hóa học mô phỏng giống Kevlar. Các nhà nghiên cứu còn thiết kế AAs để chứa polyethylene glycol (PEG), thành phần có thể dẫn ion lithium, ở một đầu của mỗi phân tử. Khi các phân tử tiếp xúc với nước, chúng tự động tạo thành các nanoribbon với bề mặt dẫn ion PEG và phần nền bắt chước độ bền của Kevlar thông qua liên kết hydro chặt chẽ. Kết quả là một cấu trúc nanoribbon cơ học ổn định có khả năng dẫn ion trên bề mặt của nó.

“Vật liệu gồm hai phần,” Cho giải thích. “Phần thứ nhất là chuỗi linh hoạt tạo cho chúng ta một tổ, hoặc vật chủ, để ion lithium nhảy quanh. Phần thứ hai là thành phần hữu cơ mạnh tương tự như trong Kevlar, một vật liệu chống đạn. Những phần đó làm cho cả cấu trúc ổn định.”

Khi được thêm vào nước, các nanoribbon tự lắp ráp thành hàng triệu nanoribbon có thể được ép nóng thành một vật liệu solid-state.

“Trong vòng năm phút sau khi thêm vào nước, dung dịch trở nên dạng gel, cho thấy có quá nhiều nanofiber được tạo ra trong dung dịch đến mức chúng bắt đầu quấn vào nhau,” Cho nói. “Điều thú vị là chúng tôi có thể sản xuất vật liệu này ở quy mô lớn nhờ hành vi tự lắp ráp.”

Nhóm đã kiểm tra độ bền và độ dai của vật liệu, thấy rằng nó có thể chịu được các ứng suất liên quan đến việc chế tạo và vận hành pin. Họ cũng cấu tạo một tế bào pin solid-state sử dụng lithium iron phosphate cho cathode và lithium titanium oxide làm anode, đều là các vật liệu phổ biến trong pin hiện nay. Các nanoribbon đã truyền ion lithium thành công giữa các điện cực, nhưng một tác dụng phụ được gọi là phân cực giới hạn việc di chuyển ion lithium vào các điện cực pin trong những lần sạc và xả nhanh, làm giảm hiệu suất so với các pin thương mại tiêu chuẩn vàng hiện nay.

“Ion lithium di chuyển dọc theo nanofiber được, nhưng đưa ion lithium từ nanofiber sang oxide kim loại dường như là bước chậm nhất của quá trình,” Cho nói.

Khi họ nhúng tế bào pin vào dung môi hữu cơ, vật liệu ngay lập tức tan ra, từng phần của pin tách ra để dễ tái chế hơn. Cho so sánh phản ứng của vật liệu với việc bông kẹo bông bị nhúng vào nước.

“chất điện phân giữ hai điện cực pin lại với nhau và cung cấp các đường dẫn ion lithium,” Cho nói. “Vì vậy, khi bạn muốn tái chế pin, toàn bộ lớp chất điện phân có thể tự rời ra và bạn có thể tái chế từng điện cực riêng biệt.”

Xác thực một hướng tiếp cận mới

Cho nói rằng vật liệu này là một bằng chứng khái niệm thể hiện cách tiếp cận ưu tiên tái chế.

“Chúng tôi không muốn nói rằng chúng tôi đã giải quyết hết mọi vấn đề với vật liệu này,” Cho nói. “Hiệu suất pin của chúng tôi không tuyệt vời vì trong bài báo chúng tôi chỉ dùng vật liệu này làm toàn bộ chất điện phân, nhưng điều chúng tôi hình dung là dùng vật liệu này như một lớp trong chất điện phân của pin. Nó không cần phải là toàn bộ chất điện phân để khởi xướng quá trình tái chế.”

Cho cũng thấy nhiều cơ hội để tối ưu hóa hiệu suất vật liệu thông qua các thí nghiệm tiếp theo.

Hiện các nhà nghiên cứu đang tìm cách tích hợp những loại vật liệu này vào các thiết kế pin hiện có cũng như áp dụng ý tưởng vào các hệ hóa học pin mới.

“Rất khó để thuyết phục các nhà cung cấp hiện tại làm điều gì đó rất khác,” Cho nói. “Nhưng với các vật liệu pin mới có thể xuất hiện trong 5 hoặc 10 năm tới, sẽ dễ dàng hơn để tích hợp điều này vào các thiết kế mới ngay từ đầu.”

Cho cũng tin rằng cách tiếp cận này có thể giúp đưa nguồn cung lithium về trong nước bằng cách tái sử dụng vật liệu từ những pin đang có ở Hoa Kỳ.

“Mọi người bắt đầu nhận ra tầm quan trọng của vấn đề này,” Cho nói. “Nếu chúng ta có thể bắt đầu tái chế pin lithium-ion từ lượng rác thải pin ở quy mô lớn, điều đó sẽ có hiệu ứng tương đương với việc mở các mỏ lithium ở Hoa Kỳ. Ngoài ra, mỗi pin đòi hỏi một lượng lithium nhất định, nên khi suy rộng theo sự tăng trưởng của xe điện, chúng ta cần tái sử dụng vật liệu này để tránh những cú sốc lớn về giá lithium.”

Công trình được hỗ trợ một phần bởi National Science Foundation và U.S. Department of Energy.