Với Trung Quốc, không gì là không thể

[therealrtz]

Sự bùng nổ của xe điện đang mang lại một vấn đề nan giải: núi pin lithium-ion thải ra ngày càng lớn, trong khi việc tái chế chúng vẫn tốn kém và kém hiệu quả. Dù những viên pin cũ này vẫn chứa nhiều kim loại quý như niken, coban và lithium, phần lớn phương pháp tái chế hiện nay lại phá hủy hoàn toàn cấu trúc tinh vi vốn giúp pin hoạt động hiệu quả.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung (Huazhong University of Science and Technology) ở Trung Quốc cho biết họ đã tìm ra cách tiếp cận khác: không “phá hủy để tái tạo”, mà “phục hồi để tái sinh”. Phương pháp sử dụng muối nóng chảy cho phép tái tạo trực tiếp cực dương (cathode) bị thoái hóa, khôi phục lại cấu trúc và hiệu suất của pin mà gần như không tạo ra chất thải.

Thông thường, quá trình tái chế pin diễn ra theo hướng tách chiết kim loại qua các phản ứng hóa học hoặc xử lý nhiệt. Dù các kim loại này có thể được tái sử dụng, song cấu trúc nguyên tử phức tạp giúp pin lưu trữ năng lượng hiệu quả đã bị mất hoàn toàn. “Các phương pháp truyền thống chỉ thu hồi được kim loại, chứ không thể khôi phục cấu trúc tinh thể ban đầu của vật liệu,” giáo sư Yang Yang, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích.

Ngược lại, kỹ thuật của nhóm ông cho phép vật liệu cực dương tái sinh, khôi phục trật tự tinh thể và dung lượng cao như ban đầu. Nhóm tập trung vào loại vật liệu NCM811 - hợp chất LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂ - vốn được sử dụng phổ biến trong pin xe điện nhờ mật độ năng lượng cao. Theo thời gian, NCM811 bị mất lithium và phát sinh các khuyết tật tinh thể khiến pin yếu dần.

Để khắc phục, các nhà khoa học đã dùng hỗn hợp muối 3 thành phần gồm lithium hydroxide, lithium nitrate và lithium salicylate. Khi nung nóng, hỗn hợp này trở thành môi trường lỏng cho phép ion lithium di chuyển tự do và thâm nhập vào vật liệu hư hại. Các ion này vừa bù lại lượng lithium bị mất, vừa “vá” các khuyết tật, giúp nguyên tử sắp xếp lại thành cấu trúc tinh thể có trật tự như ban đầu.

Kết quả phân tích dưới kính hiển vi cho thấy các cực dương được phục hồi đã lấy lại dạng tinh thể đơn nhất, đồng thời lớp “muối đá” không mong muốn trên bề mặt biến mất hoàn toàn. Chất liệu tái sinh đạt dung lượng xả ban đầu 196 mAh/g và vẫn giữ được 76% sau 200 chu kỳ sạc - xả, vượt xa hầu hết kết quả tái chế hiện có. “Quy trình này không chỉ phục hồi lithium bị mất mà còn tái lập cấu trúc lớp tinh thể – yếu tố then chốt cho tuổi thọ pin dài,” tác giả Fangshu He cho biết.

Do hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và không dùng axit mạnh hay dung môi độc hại, phương pháp muối nóng chảy giúp tiết kiệm năng lượng và giảm tác động môi trường đáng kể. Nhóm nghiên cứu tin rằng đây có thể là nền tảng cho hệ thống “vòng khép kín”, nơi pin cũ được tái sinh trực tiếp thành vật liệu chất lượng cao cho pin mới, thay vì bị phân hủy thành từng nguyên tố.

Dù hiện tại vẫn trong giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhóm dự định tối ưu hóa quy trình để sản xuất quy mô công nghiệp và tiến hành đánh giá toàn bộ vòng đời nhằm xác định hiệu quả môi trường - kinh tế.

Theo Interesting Engineering