Các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã nghĩ ra một phương pháp hiệu quả để thu hồi silicon có độ tinh khiết cao từ các tấm pin mặt trời hết hạn sử dụng để sản xuất pin lithium-ion có thể giúp đáp ứng nhu cầu cung cấp năng lượng cho xe điện ngày càng tăng trên toàn cầu.
Phương pháp tiếp cận của NTU Singapore đã chứng minh tỷ lệ thu hồi và độ tinh khiết cao hơn so với các công nghệ thu hồi silicon hiện tại. Nguồn: NTU Singapore
Silicon có độ tinh khiết cao chiếm phần lớn trong pin mặt trời, tuy nhiên chúng thường bị loại bỏ khi hết tuổi thọ hoạt động sau 25 đến 30 năm. Việc tách silicon khỏi các thành phần pin mặt trời khác như nhôm, đồng, bạc, chì và nhựa là một thách thức. Hơn nữa, silicon tái chế có tạp chất và khuyết tật nên không phù hợp với các công nghệ dựa trên silicon khác.
Các phương pháp hiện tại để thu hồi silicon có độ tinh khiết cao tiêu tốn nhiều năng lượng và liên quan đến các hóa chất có độc tính cao, khiến chúng đắt tiền và hạn chế việc áp dụng rộng rãi trong các nhà tái chế.
Các nhà nghiên cứu của NTU đã vượt qua những thách thức thông qua phương pháp chiết xuất mới sử dụng axit photphoric, một chất thường được sử dụng trong ngành thực phẩm và đồ uống.
Phương pháp của NTU đã chứng minh tỷ lệ thu hồi và độ tinh khiết cao hơn so với các công nghệ thu hồi silicon hiện tại. Quá trình này cũng hiệu quả hơn, chỉ sử dụng một thuốc thử duy nhất (axit photphoric), trong khi các phương pháp thông thường bao gồm ít nhất hai loại hóa chất (có tính axit cao và tính kiềm cao).
Điều tra viên chính của nghiên cứu, Phó Giáo sư Nripan Mathews, Chủ tịch Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Giám đốc Cụm của Viện Nghiên cứu Năng lượng @ NTU (ERI@N), cho biết: "Phương pháp tiếp cận của chúng tôi để thu hồi silicon vừa hiệu quả vừa hiệu quả. Chúng tôi thực hiện được không phải sử dụng nhiều loại hóa chất, giảm thời gian xử lý sau xử lý chất thải hóa học, đồng thời đạt tỷ lệ thu hồi silicon nguyên chất cao tương đương với silicon được sản xuất bằng kỹ thuật chiết xuất tiêu tốn nhiều năng lượng”.
Trong khi việc sử dụng năng lượng tái tạo mặt trời đã tăng lên trong vài thập kỷ qua, tuổi thọ giới hạn của các tấm pin mặt trời là 30 năm có nghĩa là 78 triệu tấn tấm pin mặt trời sẽ hết hạn vào năm 2050.
Nhóm nghiên cứu của NTU tin rằng phương pháp thu hồi silicon của họ có khả năng giải quyết được vấn đề ngày càng gia tăng về chất thải của tấm pin mặt trời bằng cách duy trì các nguồn tài nguyên trong một vòng lặp.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Vật liệu năng lượng mặt trời và pin mặt trời .
Thúc đẩy sự phát triển của pin lithium-ion cho xe điện
Silicon được coi là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất cho pin lithium-ion thế hệ tiếp theo để cung cấp năng lượng cho xe điện (EV) nhờ khả năng cung cấp phạm vi hoạt động rộng hơn và thời gian sạc nhanh.
Trong bối cảnh các nhà sản xuất ô tô đang chạy đua phát triển pin lithium-ion gốc silicon cho xe điện tiên tiến, nhóm nghiên cứu của NTU tin rằng phương pháp phục hồi silicon mới được phát triển của họ có thể hỗ trợ nhu cầu dự kiến về silicon có độ tinh khiết cao.
Phương pháp của NTU trước tiên bao gồm việc ngâm pin mặt trời đã hết hạn sử dụng trong axit photphoric pha loãng nóng trong 30 phút để loại bỏ kim loại (nhôm và bạc) khỏi bề mặt của chúng. Quá trình này được lặp lại bằng cách sử dụng axit photphoric mới để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn kim loại, tạo ra tấm silicon tinh khiết sau 30 phút nữa.
Bằng cách sử dụng các phân tích quang phổ tiên tiến để đánh giá hàm lượng nguyên tố của tấm bán dẫn đã thu hồi, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng mẫu của họ đạt tỷ lệ thu hồi 98,9% với độ tinh khiết 99,2%—kết quả tương đương với silicon được thu hồi bằng các phương pháp hiện có.
Khi silicon thu hồi được nâng cấp thành cực dương của pin lithium-ion và được kiểm tra hiệu quả, nó hoạt động tương tự như silicon mới mua trên thị trường.
Tác giả chính của nghiên cứu, Tiến sĩ Sim Ying, Nghiên cứu viên, Viện Nghiên cứu Năng lượng @ NTU, cho biết: "Hiệu suất tương đương giữa pin lithium-ion dựa trên silicon đã được tái chế của chúng tôi và pin mới mua chứng tỏ rằng phương pháp của NTU là khả thi. Chúng tôi hãy hình dung phương pháp thu hồi silicon nhanh hơn và rẻ hơn của chúng tôi sẽ là động lực tích cực cho sự phát triển của pin xe điện. Ngoài xe điện, còn có những ứng dụng tiềm năng như thiết bị nhiệt điện."
