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

Các nhà nghiên cứu của MIT - viết tắt của Massachusetts Institute of Technology (Học viện Công nghệ Massachusetts) đã thiết kế một chất điện phân có thể tự phân rã vào cuối vòng đời của pin, cho phép tái chế các linh kiện dễ dàng hơn.

Sự bùng nổ của xe điện ngày nay chính là núi rác thải điện tử của tương lai. Và trong khi vô số nỗ lực đang được tiến hành để cải thiện việc tái chế pin, nhiều loại pin xe điện vẫn bị thải ra các bãi rác.

Trong bối cảnh đó, một nhóm nghiên cứu từ MIT muốn góp phần thay đổi điều đó bằng một loại vật liệu pin tự lắp ráp mới có thể nhanh chóng phân rã khi được nhúng vào một chất lỏng hữu cơ đơn giản.

Trong một bài báo mới được công bố trên tạp chí Nature Chemistry, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này có thể hoạt động như chất điện phân trong một khối pin thể rắn (solid-state battery cell) đang vận hành và sau đó quay trở lại các thành phần phân tử ban đầu chỉ trong vài phút.

Phương pháp này mang đến một giải pháp thay thế cho việc nghiền nát pin thành một khối hỗn tạp, khó tái chế. Thay vào đó, vì chất điện phân đóng vai trò là lớp kết nối của pin, nên khi vật liệu mới quay trở lại dạng phân tử ban đầu, toàn bộ viên pin sẽ tự tháo dỡ để đẩy nhanh quá trình tái chế.

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

Cùng tham gia bài báo với Cho là nghiên cứu sinh PhD Cole Fincher, Ty Christoff-Tempesta PhD ’22, Giáo sư Gốm sứ Kyocera Yet-Ming Chiang, Phó Giáo sư Thỉnh giảng Julia Ortony, Xiaobing Zuo, và Guillaume Lamour.

Có một cảnh trong một trong những bộ phim “Harry Potter” nơi Giáo sư Dumbledore dọn dẹp một ngôi nhà đổ nát chỉ bằng một cái phẩy cổ tay và một câu thần chú. Cho nói rằng hình ảnh đó đã hằn sâu trong tâm trí anh từ khi còn nhỏ.

Khi anh xem một bài nói chuyện của Ortony về việc thiết kế các phân tử để chúng có thể tự lắp ráp thành các cấu trúc phức tạp và sau đó quay trở lại dạng ban đầu, anh đã tự hỏi liệu điều đó có thể được sử dụng để làm cho việc tái chế pin hoạt động như một phép màu hay không.

Đó sẽ là một sự thay đổi mô hình cho ngành công nghiệp pin. Ngày nay, pin đòi hỏi các hóa chất rất khắc nghiệt, nhiệt độ cao và quy trình xử lý phức tạp để tái chế. Một viên pin có ba bộ phận chính: cực dương (cathode) tích điện dương, điện cực (electrode) tích điện âm, và chất điện phân (electrolyte) vận chuyển các ion liti giữa chúng. Chất điện phân trong hầu hết các loại pin lithium-ion đều rất dễ cháy và theo thời gian sẽ phân hủy thành các sản phẩm phụ độc hại đòi hỏi quy trình xử lý chuyên biệt.

Để đơn giản hóa quy trình tái chế, các nhà nghiên cứu đã quyết định tạo ra một chất điện phân bền vững hơn. Để làm được điều đó, họ đã tìm đến một lớp phân tử có khả năng tự lắp ráp trong nước, được đặt tên là aramid amphiphiles (AAs), có cấu trúc hóa học và độ ổn định mô phỏng theo vật liệu Kevlar.

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế thêm các AAs để chứa polyethylene glycol (PEG), có khả năng dẫn truyền ion liti, ở một đầu của mỗi phân tử. Khi các phân tử này tiếp xúc với nước, chúng tự động hình thành các dải băng nano với các bề mặt và đế PEG dẫn ion, mô phỏng sự bền chắc của Kevlar thông qua liên kết hydro chặt chẽ. Kết quả là một cấu trúc dải băng nano ổn định về mặt cơ học có khả năng dẫn truyền ion trên bề mặt của nó.

“Vật liệu này bao gồm hai phần,” Cho giải thích. “Phần đầu tiên là chuỗi linh hoạt này tạo ra một cái tổ, hay vật chủ, cho các ion liti di chuyển xung quanh. Phần thứ hai là thành phần vật liệu hữu cơ bền chắc được sử dụng trong Kevlar, một loại vật liệu chống đạn. Những yếu tố đó làm cho toàn bộ cấu trúc trở nên ổn định.”

Khi được thêm vào nước, các dải băng nano tự lắp ráp để tạo thành hàng triệu dải băng nano có thể được ép nóng thành một vật liệu thể rắn.

“Trong vòng năm phút sau khi được thêm vào nước, dung dịch trở nên giống như gel, cho thấy có rất nhiều sợi nano được hình thành trong chất lỏng đến mức chúng bắt đầu đan vào nhau,” Cho nói. “Điều thú vị là chúng tôi có thể sản xuất vật liệu này ở quy mô lớn nhờ vào hành vi tự lắp ráp.”

Nhóm đã thử nghiệm độ bền và độ dai của vật liệu, phát hiện ra rằng nó có thể chịu được các áp lực liên quan đến việc sản xuất và vận hành pin. Họ cũng đã chế tạo một khối pin thể rắn sử dụng liti sắt phốt phát (lithium iron phosphate) cho cực dương và liti titan oxit (lithium titanium oxide) làm cực âm, cả hai đều là vật liệu phổ biến trong các loại pin ngày nay. Các dải băng nano đã vận chuyển thành công các ion liti giữa các điện cực, nhưng một tác dụng phụ được gọi là sự phân cực (polarization) đã hạn chế sự di chuyển của các ion liti vào các điện cực của pin trong các chu kỳ sạc và xả nhanh, làm cản trở hiệu suất của nó so với các loại pin thương mại tiêu chuẩn vàng hiện nay.

“Các ion liti di chuyển dọc theo sợi nano khá tốt, nhưng việc đưa ion liti từ sợi nano đến oxit kim loại dường như là điểm chậm nhất của quá trình,” Cho nói.

Khi họ nhúng khối pin vào dung môi hữu cơ, vật liệu ngay lập tức hòa tan, với mỗi bộ phận của pin tách rời ra để tái chế dễ dàng hơn. Cho đã so sánh phản ứng của vật liệu này với việc kẹo bông gòn bị nhúng vào nước.

“Chất điện phân giữ hai điện cực của pin lại với nhau và cung cấp các đường dẫn cho ion liti,” Cho nói. “Vì vậy, khi bạn muốn tái chế pin, toàn bộ lớp điện phân có thể tự nhiên rơi ra và bạn có thể tái chế các điện cực một cách riêng biệt.”

Cho cho biết vật liệu này là một minh chứng cho khái niệm thể hiện cách tiếp cận ưu tiên tái chế.

“Chúng tôi không muốn nói rằng chúng tôi đã giải quyết tất cả các vấn đề với vật liệu này,” Cho nói. “Hiệu suất pin của chúng tôi không quá xuất sắc vì chúng tôi chỉ sử dụng vật liệu này làm toàn bộ chất điện phân cho bài báo, nhưng điều chúng tôi hình dung là sử dụng vật liệu này như một lớp trong chất điện phân của pin. Nó không cần phải là toàn bộ chất điện phân để khởi động quá trình tái chế.”

Cho cũng nhận thấy còn rất nhiều cơ hội để tối ưu hóa hiệu suất của vật liệu thông qua các thí nghiệm sâu hơn.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang khám phá các cách tích hợp các loại vật liệu này vào các thiết kế pin hiện có cũng như triển khai các ý tưởng vào các loại hóa học pin (battery chemistries) mới.

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

Cho cũng tin rằng cách tiếp cận này có thể giúp đưa nguồn cung lithium trở lại trong nước bằng cách tái sử dụng vật liệu từ những viên pin đã có sẵn tại Hoa Kỳ.

“Mọi người đang bắt đầu nhận ra tầm quan trọng của việc này,” Cho nói. “Nếu chúng ta có thể bắt đầu tái chế pin lithium-ion từ rác thải pin ở quy mô lớn, nó sẽ có tác dụng tương tự như việc mở các mỏ lithium ở Hoa Kỳ. Ngoài ra, mỗi viên pin đòi hỏi một lượng lithium nhất định, vì vậy nếu ngoại suy từ sự tăng trưởng của xe điện, chúng ta cần phải tái sử dụng vật liệu này để tránh những đợt tăng giá lithium đột biến.”

Công trình này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (National Science Foundation) và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (U.S. Department of Energy).