"Vàng trắng" của năng lượng sạch, lithium là thành phần chính trong các loại pin lớn và nhỏ, từ pin cung cấp năng lượng cho điện thoại và máy tính xách tay đến hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện.
Tín dụng: Unsplash/CC0 Public Domain
Mặc dù tương đối dồi dào, kim loại màu trắng bạc này có thể sớm trở nên khan hiếm do bối cảnh nguồn cung phức tạp bị ảnh hưởng bởi sự bùng nổ của xe điện (EV), mục tiêu phát thải ròng bằng 0 và các yếu tố địa chính trị. Được định giá hơn 65 tỷ đô la vào năm 2023, thị trường pin lithium-ion (LIB) toàn cầu dự kiến sẽ tăng trưởng hơn 23% trong tám năm tới, có khả năng làm gia tăng những thách thức hiện tại trong nguồn cung lithium.
Hơn nữa, việc thu hồi lithium từ pin đã qua sử dụng gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và rất kém hiệu quả ⎯ đây là vấn đề mà một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice do Pulickel Ajayan đứng đầu đang nỗ lực thay đổi.
Trong nghiên cứu mới nhất của họ được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials , các nhà nghiên cứu mô tả một phương pháp nhanh chóng, hiệu quả và thân thiện với môi trường để thu hồi lithium có chọn lọc bằng cách sử dụng bức xạ vi sóng và dung môi dễ phân hủy sinh học. Các phát hiện cho thấy quy trình mới có thể thu hồi tới 50% lithium trong catốt LIB đã qua sử dụng chỉ trong 30 giây, khắc phục được tình trạng tắc nghẽn đáng kể trong công nghệ tái chế LIB.
"Chúng tôi đã chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ trong việc sử dụng LIB trong những năm gần đây, điều này chắc chắn làm dấy lên mối lo ngại về tính khả dụng của các kim loại quan trọng như lithium, coban và niken được sử dụng trong catốt", Sohini Bhattacharyya, một trong hai tác giả chính của nghiên cứu và là Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Viện Rice tại Phòng thí nghiệm Vật liệu nano do Ajayan điều hành, cho biết. "Do đó, việc tái chế LIB đã qua sử dụng để thu hồi các kim loại này thực sự quan trọng".
Các phương pháp tái chế thông thường thường liên quan đến axit mạnh, trong khi các dung môi thân thiện với môi trường thay thế như dung môi eutectic sâu (DES) đã phải vật lộn với hiệu quả và khả năng kinh tế. Hơn nữa, các phương pháp tái chế hiện tại thu hồi được ít hơn 5% lithium, chủ yếu là do ô nhiễm và thất thoát trong quá trình cũng như bản chất tốn nhiều năng lượng của quá trình thu hồi.
Salma Alhashim, cựu sinh viên tiến sĩ của Rice và là tác giả chính khác của nghiên cứu, cho biết: "Tỷ lệ thu hồi rất thấp vì lithium thường kết tủa sau tất cả các kim loại khác, do đó mục tiêu của chúng tôi là tìm ra cách có thể nhắm mục tiêu cụ thể vào lithium".
"Ở đây chúng tôi sử dụng DES là hỗn hợp của choline clorua và etylen glycol, biết được từ nghiên cứu trước đây rằng trong quá trình thẩm thấu trong DES này, lithium sẽ bị bao quanh bởi các ion clorua từ choline clorua và được thẩm thấu vào dung dịch."
Để tách các kim loại khác như coban hoặc niken, cả choline chloride và ethylene glycol đều phải tham gia vào quá trình này. Biết rằng trong hai chất này chỉ có choline chloride có khả năng hấp thụ vi sóng, các nhà nghiên cứu đã nhúng vật liệu thải pin vào dung môi và chiếu xạ bằng bức xạ vi sóng.
"Điều này cho phép chúng tôi lọc lithium một cách chọn lọc so với các kim loại khác", Bhattacharyya cho biết. "Sử dụng bức xạ vi sóng cho quá trình này tương tự như cách lò vi sóng nhà bếp làm nóng thức ăn nhanh chóng. Năng lượng được truyền trực tiếp đến các phân tử, khiến phản ứng xảy ra nhanh hơn nhiều so với các phương pháp gia nhiệt thông thường".
So với các phương pháp gia nhiệt thông thường như bồn dầu, phương pháp gia nhiệt hỗ trợ bằng vi sóng có thể đạt được hiệu suất tương tự nhanh hơn gần 100 lần. Ví dụ, khi sử dụng quy trình dựa trên vi sóng, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ mất 15 phút để chiết xuất 87% lithium so với 12 giờ cần thiết để đạt được tỷ lệ thu hồi tương tự thông qua phương pháp gia nhiệt bồn dầu.
"Điều này cũng cho thấy tính chọn lọc đối với các thành phần cụ thể có thể đạt được chỉ bằng cách điều chỉnh thành phần DES", Alhashim cho biết. "Một lợi thế khác là tính ổn định của dung môi: Vì phương pháp ngâm dầu mất nhiều thời gian hơn nên dung môi bắt đầu phân hủy, trong khi điều này không xảy ra với các chu kỳ gia nhiệt ngắn của lò vi sóng".
Phương pháp đột phá này có thể cải thiện đáng kể tác động kinh tế và môi trường của việc tái chế LIB, cung cấp giải pháp bền vững cho một vấn đề toàn cầu đang ngày càng gia tăng.
Ajayan, tác giả liên hệ của nghiên cứu này và là Giáo sư Kỹ thuật Benjamin M. và Mary Greenwood Anderson của Rice, đồng thời là giáo sư và chủ nhiệm khoa khoa học vật liệu và kỹ thuật nano, cho biết: "Phương pháp này không chỉ tăng cường tốc độ thu hồi mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường, đây là bước tiến đầy hứa hẹn hướng tới việc triển khai các hệ thống tái chế dựa trên DES ở quy mô lớn để thu hồi kim loại có chọn lọc".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
