Hai họ dung môi mới không chứa PFAS dành cho pin thế hệ tiếp theo
của Paul Dailing, Đại học Chicago
Mặc dù các thiết kế pin hiện tại, như pin đồng xu này, chỉ sử dụng một lượng nhỏ PFAS, nhưng xu hướng của ngành là chuyển sang sử dụng "hóa chất vĩnh cửu" có hại khi thiết kế các công nghệ pin thế hệ tiếp theo lớn hơn. Nguồn: Stephen L. Garrett
Chibueze Amanchukwu muốn sửa chữa những loại pin chưa được sản xuất. Nhu cầu về pin đang tăng đối với xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng lưới điện cần thiết để chuyển đổi Trái đất khỏi nhiên liệu hóa thạch. Nhưng nhiều pin hơn sẽ có nghĩa là nhiều vật liệu nguy hiểm hơn được sử dụng để chế tạo chúng: PFAS, còn được gọi là "hóa chất vĩnh cửu".
"Để giải quyết nhu cầu của chúng ta với tư cách là một xã hội về xe điện và lưu trữ năng lượng, chúng ta đang đưa ra nhiều thách thức hơn về môi trường", Amanchukwu, Phó giáo sư Kỹ thuật phân tử của Gia đình Neubauer tại Trường Kỹ thuật phân tử Pritzker của UChicago (UChicago PME) cho biết. "Bạn có thể thấy tình thế tiến thoái lưỡng nan".
PFAS là một nhóm gồm hàng nghìn hóa chất được tìm thấy trong pin nhưng cũng có trong mọi thứ, từ giấy gói thức ăn nhanh và dầu gội đầu đến bọt chữa cháy và quần tập yoga. Chúng giúp trứng rán không bị dính vào chảo và mưa không thấm vào áo khoác và sơn, nhưng khả năng chống nước giúp chúng hữu ích cũng khiến chúng khó loại bỏ khi rơi vào nguồn nước. Điều này khiến chúng có biệt danh là "hóa chất vĩnh cửu".
Mặc dù Amanchukwu và các nhóm nghiên cứu PME khác của UChicago đang nghiên cứu các kỹ thuật chiết xuất, nhưng với công nghệ hiện tại, PFAS sẽ tồn tại mãi mãi trong nước.
Một số PFAS có liên quan đến tình trạng chậm phát triển ở trẻ em, giảm khả năng sinh sản, tăng nguy cơ ung thư và giảm phản ứng miễn dịch. PFAS đã được tìm thấy trong nước, không khí, cá và đất—và trong máu của con người và động vật trên khắp hành tinh.
"Đây là những gì chúng ta đã làm với tư cách là một xã hội", Amanchukwu cho biết. "Chúng ta tạo ra một vật liệu hoặc thiết bị tuyệt vời, rồi chúng ta nhận ra rằng nó không tốt cho môi trường, và rồi chúng ta cố gắng xem liệu chúng ta có thể thay thế nó hay không".
Phòng thí nghiệm Amanchukwu tại UChicago PME muốn đảo ngược kịch bản đó. Trong hai bài báo gần đây, nhóm đã thiết kế hai họ dung môi không chứa PFAS mới, tạo nên các thành phần lý tưởng cho pin thế hệ tiếp theo. Mục tiêu là đi trước ô nhiễm PFAS, cung cấp cho các nhà nghiên cứu tương lai một bộ hóa chất an toàn nhưng mạnh mẽ để khám phá khi thiết kế pin, biến "hóa chất vĩnh cửu" thành "hóa chất không bao giờ".
"Chúng ta cần pin thế hệ tiếp theo, nhưng đối với hầu hết các nghiên cứu hiện tại, chúng đang sử dụng PFAS", Peiyuan Ma, Tiến sĩ năm 24, tác giả đầu tiên của cả hai bài báo cho biết. "Đó là lý do tại sao chúng tôi bắt đầu thực hiện nghiên cứu của mình, để mọi người ít nhất có cơ hội sử dụng các vật liệu không chứa PFAS".
Đi trước mãi mãi
PFAS chiếm một phần tương đối nhỏ trong pin hiện đại. Cực dương của pin, được gọi là cực âm, sử dụng một lượng nhỏ hóa chất PFAS có tên là polyvinylidene difluoride làm chất kết dính—một loại keo để giữ các hạt lại với nhau. Trong khi đó, chất điện phân pin sử dụng dung môi flo, nhưng không phải tất cả các hợp chất flo đều là PFAS.
Vấn đề không phải là chất điện phân trong pin hiện tại. Mà là pin trong tương lai.
Nhu cầu về pin đang tăng lên, đòi hỏi nhiều pin hơn và tốt hơn. Khi các vấn đề về thiết kế phát sinh, giải pháp mặc định của cộng đồng khoa học thường là chuyển sang PFAS hữu ích nhưng nguy hiểm, Amanchukwu cho biết.
"Chúng tôi đang yêu cầu nhiều pin hơn và nhiều hơn nữa từ pin của mình. Chúng tôi muốn hiệu suất ở nhiệt độ thấp. Chúng tôi muốn hiệu suất ở nhiệt độ cao. Chúng tôi muốn sạc nhanh. Chúng tôi muốn pin kim loại lithium. Đây là những thứ mà chúng tôi đang yêu cầu với tư cách là người tiêu dùng", Amanchukwu cho biết. "Những gì các tài liệu khoa học đang làm bây giờ là nói rằng, 'Ồ, hãy thêm nhiều thành phần flo hơn vào chất điện phân.' Hầu như tất cả những thứ đó sẽ được coi là PFAS."
Một trong những bài báo gần đây của nhóm, được công bố trên ACS Energy Letters, đã tạo ra dung môi không chứa PFAS được flo hóa một phần cho pin lithium-ion. Một nghiên cứu khác, được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa, đã thiết kế hoàn toàn các dung môi không chứa flo cho pin kim loại lithium hiện đang được khám phá như một giải pháp thay thế năng lượng cao hơn cho lithium-ion.
"Trong công trình của mình, chúng tôi đã cố gắng trích xuất một số hiểu biết cơ bản về tương tác giữa các vật liệu pin. Chúng tôi cố gắng hiểu cách các vật liệu đó tương tác và lý do tại sao một số tương tác lại quan trọng để pin hoạt động tốt", Ma cho biết. "Chúng tôi nhận ra rằng không có yêu cầu cơ bản nào về việc phải có PFAS để pin hoạt động".
Thu hút ngành công nghiệp tham gia
Để thu hút ngành công nghiệp, học viện và các phòng thí nghiệm quốc gia khám phá chiến lược hóa học mới này, thách thức của nhóm không chỉ là chứng minh rằng nhóm chất điện phân mới của họ sẽ an toàn hơn. Họ còn phải chứng minh rằng chất điện phân của họ hoạt động tốt như hoặc tốt hơn chất điện phân dựa trên PFAS.
Các thiết kế pin kim loại lithium không chứa flo cho thấy nhiều cặp ion hơn và khả năng duy trì dung lượng tốt hơn so với các thiết kế dựa trên hợp chất chứa flo, với một số vật liệu trong nhóm mới của họ cũng cho thấy
