“Tắm” điện hóa giúp phục hồi pin cũ
Thay vì nghiền nát pin cũ để thu hồi kim loại, các nhà khoa học đã tìm ra cách khôi phục tới 95% dung lượng pin và mở ra hướng tái chế tiết kiệm hơn.
Pin lithium-ion là nền tảng của xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và nhiều thiết bị điện tử hiện đại. Tuy nhiên, sau hàng trăm hoặc hàng nghìn chu kỳ sạc, dung lượng pin sẽ giảm dần, buộc phải thay thế dù nhiều thành phần bên trong vẫn còn nguyên vẹn.
Điều này khiến việc tái chế pin trở thành một thách thức lớn về chi phí, năng lượng và môi trường.
Trong nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Energy & Environmental Science, các nhà khoa học tại Đại học Cornell (Hoa Kỳ) đã giới thiệu một phương pháp mới mang tên Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER), cho phép tái sử dụng trực tiếp các điện cực của pin thay vì phá hủy chúng để thu hồi nguyên liệu.
Theo nhóm nghiên cứu, khi pin lithium-ion xuống cấp, lớp liên pha điện phân rắn (Solid Electrolyte Interphase - SEI) sẽ dần hình thành trên bề mặt điện cực.
Lớp SEI mỏng là cần thiết để pin hoạt động ổn định, nhưng sau nhiều chu kỳ sạc, nó dày lên, làm tăng điện trở và cản trở sự di chuyển của ion lithium, khiến dung lượng pin giảm dần. Trong khi đó, cấu trúc của điện cực thường vẫn còn nguyên vẹn.
Ở các quy trình tái chế hiện nay, pin hết vòng đời sẽ được tháo rời, nghiền nhỏ rồi trải qua các công đoạn xử lý cơ học, nhiệt luyện hoặc hóa học để tách các kim loại có giá trị như lithium, niken, coban, mangan, đồng và nhôm.
Quy trình này tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí, đồng thời phát sinh không ít tác động tới môi trường.
Phương pháp DEER đi theo hướng hoàn toàn khác. Thay vì nghiền pin, các nhà khoa học tháo nguyên vẹn điện cực, sau đó thả chúng vào một bể tắm điện hóa chứa dung dịch 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone đặc biệt để tiến hành quy trình làm sạch.
Dung dịch này hòa tan lớp SEI đã tích tụ nhưng không làm ảnh hưởng đến cấu trúc điện cực. Sau xử lý, điện cực có thể được lắp vào pin mới và tiếp tục sử dụng.
Các thử nghiệm cho thấy, pin được tái tạo bằng phương pháp này phục hồi khoảng 95% dung lượng ban đầu.
Đáng chú ý, trên bề mặt điện cực sau xử lý vẫn còn một lớp lithium fluoride rất mỏng, giúp ổn định điện cực và làm chậm sự hình thành trở lại của lớp SEI. Nhờ đó, pin tái tạo có độ ổn định trong các chu kỳ sạc - xả tốt hơn so với dự đoán.
GS Vibha Kalra - Trưởng nhóm nghiên cứu cho biết, thay vì phá hủy điện cực để thu hồi vật liệu rồi chế tạo điện cực mới, phương pháp DEER cho phép “sửa chữa” trực tiếp điện cực và đưa chúng trở lại vào pin, qua đó rút ngắn đáng kể vòng tuần hoàn của vật liệu.
Kết quả đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường cho thấy phương pháp DEER có thể giảm khoảng 56% chi phí sản xuất pin tái chế, đồng thời giảm lượng nước sử dụng và các chất gây ô nhiễm phát sinh so với quy trình tái chế truyền thống.
Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn thử nghiệm tái tạo điện cực lần thứ hai sau khi pin tiếp tục suy giảm dung lượng. Kết quả cho thấy pin vẫn giữ được khoảng 90% dung lượng ban đầu, mở ra khả năng kéo dài vòng đời của cùng một điện cực qua nhiều lần tái sử dụng.
Trong thời gian tới, họ sẽ mở rộng phương pháp để khắc phục các dạng xuống cấp khác, chẳng hạn như hiện tượng thất thoát lithium.
Nếu được thương mại hóa, công nghệ này có thể góp phần giảm nhu cầu khai thác các kim loại quan trọng, hạ chi phí tái chế và thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng./.
