Pin sạc dung lượng cao và hoạt động ổn định là thành phần quan trọng của hầu hết các thiết bị và phương tiện vận tải hiện đại. Pin đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi sang một thế giới xanh sạch và bền vững.

Trong quy trình chế tạo pin lithium – ion phổ dụng hiện này, các nhà sản xuất sử dụng nhiều nguyên tố quý hiếm khác nhau được, trong đó có coban. Quá trình khai thác và sản xuất nguyên tố này gây ra một số vấn đề cho môi trường, kinh tế và đời sống xã hội.

 

Lần đầu tiên, trong một nghiên cứu gần đây, nhóm nhà khoa học từ Đại học Tokyo giới thiệu một giải pháp thay thế coban khả thi, có những tính chất vượt trội hơn so với các hợp chất hóa học dùng cho pin tiên tiến nhất. Cấu trúc pin mới không coban cũng cung cấp một số lượng lớn chu kỳ sạc xả. Nguyên lý cơ bản của loại pin không coban có thể được áp dụng để giải quyết những vấn đề khác.

Tính phổ biến và thách thức của pin Lithium-ion

Hầu hét các thiết bị điện tử thông dụng và xe điện đều sử dụng pin lithium-ion (LIB). Trong nhiều thập kỷ nay, LIB đã trở thành thiết bị lưu trữ tiêu chuẩn để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử di động hoặc cầm tay và xe điện hiện nay.

Khi thế giới chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo, pin là thiết bị có ý nghĩa quan trọng hàng đầu, được sử dụng trong xe điện và pin lưu trữ năng lượng tái tạo từ điện gió và quang điện mặt trời. Nhưng LIB có những nhược điểm không thể vượt qua, đó là việc sử dụng những kim loại quý hiếm và khi thải loại sẽ gây ra ô nhiễm môi trường.

Pin không chứa coban cho năng lượng sạch hơn

Thay thế coban khan hiếm bằng những nguyên tố an toàn và phong phú hơn, các nhà khoa học Nhật Bản giảm thiểu một số vấn đề với LIB. Chất hóa học mới cho mật độ năng lượng lớn hơn với trọng lượng và thể tích tương đương. Ảnh: ©2023 Yamada và cộng sự. CC-BY-ND

Sự phát triển của xe điện và các thiết bị chạy điện khác đòi hỏi LIB phải cung cấp mật độ năng lượng lớn hơn, hoạt động ổn định hơn sau nhiều chu kỳ nạp lại và kéo dài thời gian sử dụng. Vấn đề quan trọng nhất là thành phần các chất hóa học trong LIB với những nguyên tố quý hiếm.

Coban trong pin điện có tác động tiêu cực đến môi trường và xã hội

Coban được sử dụng rộng rãi cho một bộ phận quan trọng của LIB, các điện cực. Tất cả các loại pin đều hoạt động theo phương thức giống nhau: Hai điện cực dương và cực âm, thúc đẩy dòng ion lithium di chuyển trong chất điện phân khi được kết nối với mạch điện bên ngoài. Điều quan trọng, coban là một nguyên tố hiếm; thực tế hiếm đến mức hiện nay chỉ có một nguồn chính duy nhất, những mỏ coban thuộc nước Cộng hòa Dân chủ Congo. Trong nhiều năm, Liện Hợp Quốc đã được nghe báo cáo về những vấn đề như hậu quả môi trường của các mỏ coban, điều kiện lao động cực khổ, sử dụng lao động trẻ em. Từ góc độ chuỗi cung ứng cho xe điện, nguồn coban là một vấn đề lớn do tình hình bất ổn chính trị và kinh tế trong khu vực.

GS Atsuo Yamada thuộc Khoa Kỹ thuật Hệ thống Hóa học Đại học Tokyo cho biết: “Có nhiều lý do khiến chúng tôi muốn chuyển đổi không sử dụng coban để tăng cường mật độ năng lượng của pin lithium-ion. Đối với chúng tôi, thách thức này mang tính kỹ thuật nhưng có thể tác động đến môi trường, kinh tế, xã hội và công nghệ. Chúng tôi vui mừng thông báo về một giải pháp thay thế coban mới bằng phương thức sử dụng một kết hợp mới các nguyên tố trong điện cực, bao gồm lithium, niken, mangan, silicon và oxy, đây là những nguyên tố phổ biến hơn và ít gặp vấn đề trong khai thác, sản xuất và hoạt động.”

Một công nghệ pin có tiềm năng ứng dụng cao

Các điện cực và chất điện phân mới mà nhóm nghiên cứu do GS Yamada dẫn đầu phát triển không chỉ không sử dụng coban mà còn thực sự cải thiện tính chất hóa học của pin hiện nay. Mật độ năng lượng của LIB mới cao hơn khoảng 60%, tương đương với tuổi thọ kéo dài hơn, tế bào pin cung cấp điện áp 4,4 volt, cao hơn so với khoảng 3,2-3,7 volt của LIB thông thường. Một trong những thành tựu công nghệ lớn nhất là tăng cường tính năng kỹ thuật sạc lại. Pin thử nghiệm với hóa chất mới có thể sạc và xả đầy liên tục trong hơn 1.000 chu kỳ, tương tự 3 năm sử dụng và sạc đầy đủ, chỉ suy giảm khoảng 20% ​​dung lượng lưu trữ.

GS Yamada phát biểu: “Chúng tôi rất vui mừng với kết quả đạt được trong nghiên cứu, nhưng để đạt được kết quả này không phải là không có thách thức. Đó là hàng loạt những thí nghiệm phức tạp để ngăn chặn các phản ứng không mong muốn khác nhau, xuất hiện trong các phiên bản đầu tiên của chất hóa học pin mới, có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin. Vẫn còn một chặng đường phía trước để hoàn thiện cấu trúc hóa học, cần giảm thiểu hoặc xóa bỏ hoàn toàn những phản ứng nhỏ để tăng cường độ an toàn, kéo dài tuổi thọ pin và giảm thiểu sự suy giảm dung lượng theo thời gian. Hiện nay, chúng tôi tin tưởng rằng nghiên cứu sẽ giúp cải thiện pin cho nhiều ứng dụng, đặc biệt là những ứng dụng yêu cầu độ bền và tuổi thọ siêu cao còn chưa được đáp ứng.”

Công trình khoa học của nhóm nghiên cứu do GS Yamada dẫn đầu đặt mục tiêu hoàn thiện hơn nữa LIB, loại bỏ các nguyên liệu quý hiếm để giúp pin điện rẻ hơn, nhưng các khái niệm công nghệ nền tảng cho sự thay thế coban của nhóm có thể được áp dụng cho những quy trình và thiết bị điện hóa khác như ứng dụng cho các loại thiết bị lưu trữ khác, phân tách nước để sản xuất hydro và oxy, luyện hóa quặng, mạ điện và nhiều ứng dụng khác.