Vật liệu 'ma thuật' tan như kẹo bông gòn: Lời giải mới cho pin xe điện?

3 giờ trướcBài gốc

Điều trớ trêu của những chiếc xe điện “thân thiện môi trường” chính là khối lượng rác thải điện tử khổng lồ mà chúng tạo ra. Cho đến nay, phần lớn các nỗ lực tái chế pin EV đều tốn kém, độc hại về mặt hóa học và chưa đem lại hiệu quả. Tuy nhiên, điều này có thể sớm thay đổi nhờ một bước đột phá đầy hứa hẹn từ Đại học Công nghệ Massachusetts (MIT).

Hình minh họa pin sử dụng vật liệu điện phân mới của MIT, được tạo từ các phân tử tự sắp xếp trong nước và mô phỏng cấu trúc bền vững của Kevlar. (Ảnh: MIT)

Trong một nghiên cứu đăng trên Nature Chemistry ngày 28/8, các nhà khoa học mô tả một loại vật liệu tự sắp xếp mới có thể dễ dàng hòa tan trong dung môi hữu cơ. Vật liệu này hoạt động khá tốt như chất điện phân trong pin thể rắn - thiết kế mà các nhà sản xuất xe điện hàng đầu đang chạy đua triển khai.

Đáng chú ý, quy trình tái chế không cần đến các điều kiện hóa học và nhiệt độ khắc nghiệt vốn khiến việc tái chế pin EV trở nên khó khăn, mở ra cơ hội mới để tái chế pin trên quy mô lớn, theo các nhà nghiên cứu.

“Cách tiếp cận của chúng tôi là bắt đầu từ những vật liệu dễ tái chế, sau đó tìm cách khiến chúng tương thích với pin”, Yukio Cho, tác giả chính của nghiên cứu và hiện là nhà khoa học vật liệu tại Stanford, chia sẻ với MIT News, “thiết kế pin với khả năng tái chế ngay từ đầu là một hướng đi mới”.

Nguồn cảm hứng “ma thuật”

Ông Cho cho biết, ý tưởng về cách tiếp cận “ưu tiên tái chế” này xuất phát từ một cảnh trong Harry Potter, khi Giáo sư Dumbledore dùng phép thuật để sửa chữa một ngôi nhà cũ chỉ bằng một cái vung tay.

Để tái hiện sự “ma thuật” ấy trong pin EV, Cho và cộng sự đã phân tích chức năng của từng thành phần pin. Họ phát hiện rằng phần khó nhất nhưng cũng quan trọng nhất chính là chất điện phân - thành phần có nhiệm vụ vận chuyển ion lithium giữa cực dương (cathode) và cực âm (anode). Việc tập trung vào chất điện phân cũng hợp lý từ góc độ tái chế, bởi chất này vừa dễ cháy vừa phân hủy thành chất thải độc hại, khó xử lý.

Hình minh họa cho thấy (trái) phân tử mPEGAA do các nhà nghiên cứu thiết kế, (giữa) cách các phân tử tự sắp xếp thành nanoribbon, và (phải) cách các phân tử này được sử dụng làm chất điện phân cho pin. (Ảnh: MIT)

Đối với chất điện phân “ma thuật” của mình, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn aramid amphiphiles (AAs) – một nhóm phân tử có khả năng tự sắp xếp trong nước và, thật bất ngờ, mô phỏng được cấu trúc hóa học cũng như độ ổn định của Kevlar. Sau đó, họ gắn thêm polyethylene glycol (PEG), một chất có khả năng dẫn truyền ion lithium, vào một đầu của mỗi phân tử.

Khi nhóm nghiên cứu cho hệ phân tử này tiếp xúc với nước, họ phát hiện rằng nó tự sắp xếp thành cấu trúc nanoribbon có khả năng vận chuyển ion trên bề mặt, tức là hoạt động như một chất điện phân thực thụ.

Vật liệu “ma thuật” tạo ra pin “ma thuật”?

Bước tiếp theo là kiểm chứng khả năng hoạt động của vật liệu này trong pin thực tế. Nhóm đã thử nghiệm bằng cách cho vật liệu chịu các dạng căng thẳng đặc trưng trong chế tạo và vận hành pin. Kết quả, các nanoribbon đã vượt qua bài kiểm tra chất lượng này một cách xuất sắc.

Tiếp đó, họ chế tạo một cell pin thể rắn sử dụng những vật liệu phổ biến: lithium iron phosphate cho cực dương, lithium titanium oxide cho cực âm, và chất điện phân làm từ loại vật liệu mới.

Thí nghiệm này cho kết quả chưa thật sự hoàn hảo. Nhóm nghiên cứu cho biết, mặc dù các nanoribbon vận chuyển ion lithium hiệu quả giữa hai điện cực, nhưng đôi khi các ion lại bị “nghẽn” trong quá trình sạc và xả nhanh.

Đánh dấu giai đoạn này để tiếp tục nghiên cứu, nhóm đã thả cell pin vào dung môi hữu cơ. Và nó tan rã như “kẹo bông gòn trong nước”, ông Cho chia sẻ.

Giới hạn của công nghệ

“Chúng tôi không muốn nói rằng đã giải quyết hết mọi vấn đề với vật liệu này”, ông Cho thừa nhận. Thí nghiệm chứng minh ý tưởng đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn, nhưng hiệu suất pin vẫn còn thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn công nghiệp.

Theo ông Cho, điều mà nhóm nghiên cứu hướng tới trong tương lai gần là sử dụng vật liệu này như một phần tích hợp trong chất điện phân – có thể chỉ một hoặc hai lớp – chứ không nhất thiết phải cho toàn bộ pin. Chỉ cần một phần nhỏ được làm từ vật liệu này cũng đủ để khởi động quá trình tái chế dễ dàng hơn.

Doanh số EV tiếp tục tăng, trong khi nguồn cung lithium lại hạn chế. Nếu ngành xe điện đón nhận vật liệu này, nó có thể mở ra cơ hội mới để tái chế chất thải lithium trên quy mô lớn. Nhưng trước hết, nhóm nghiên cứu sẽ phải chứng minh rằng khoản đầu tư này thực sự xứng đáng, càng sớm càng tốt.

Sơn Trần (Nguồn: Gizmodo)

Nguồn VTC : https://vtcnews.vn/vat-lieu-ma-thuat-tan-nhu-keo-bong-gon-loi-giai-moi-cho-pin-xe-dien-ar963941.html