Quy trình sản xuất mới tạo ra cực âm tốt hơn, rẻ hơn cho pin lithium-ion
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp tổng hợp thủy nhiệt mới để tạo ra vật liệu cực âm không chứa coban với các hạt được xếp chặt, tròn, đồng nhất hơn, được hiển thị ở bên phải, so với phổ biến ở các catốt ngày nay, được hiển thị ở bên trái, duy trì sự ổn định hơn trong suốt chu kỳ sạc. Ảnh: ORNL, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng đã phát triển một phương pháp mới để sản xuất thành phần chính của pin lithium-ion. Kết quả là một loại pin hợp túi tiền hơn từ một quy trình nhanh hơn, ít lãng phí hơn, sử dụng vật liệu ít độc hại hơn.
Pin lithium-ion—được sử dụng trong các sản phẩm từ thiết bị gia dụng đến điện thoại di động, cũng như trong hầu hết các phương tiện chạy điện—được cấu tạo từ cực âm và cực dương với chất điện phân ở giữa. Các ion di chuyển từ cực dương sang cực âm qua chất điện phân trong một phản ứng chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện.
Động lực hướng tới quá trình khử cacbon và nhu cầu về ô tô điện đã làm tăng sự tập trung vào việc sản xuất bền vững các cực âm dày đặc năng lượng. Tuy nhiên, chế biến truyền thống đưa ra những thách thức.
Trở ngại đầu tiên là sự phụ thuộc vào coban, một kim loại hiếm được khai thác và tinh chế ở nước ngoài. Sự phụ thuộc vào các nguồn nước ngoài này đặt ra rủi ro cho chuỗi cung ứng sản xuất và cơ sở hạ tầng giao thông vận tải của Mỹ.
Sự sẵn có của coban không phải là biến chứng duy nhất. Sự cân bằng của các kim loại khác phổ biến trong cực âm cũng có thể làm cho quá trình sản xuất lâu hơn và nguy hiểm hơn. Ví dụ, nồng độ niken cao đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi phương pháp pha trộn hóa học để sản xuất catốt cần một lượng lớn amoniac cho các phản ứng ăn mòn. Sử dụng hóa chất độc hại làm tăng chi phí, làm tăng mối lo ngại về sức khỏe và môi trường, đồng thời lãng phí một lượng lớn nước để giảm độ axit.
Các nhà nghiên cứu ORNL báo cáo trên Journal of Power Sources rằng họ đã phát triển một phương pháp sạch hơn, rẻ hơn, hiệu quả hơn để tạo ra một loại vật liệu catốt công suất cao mới mà không cần coban. Thay vì liên tục khuấy vật liệu catốt bằng hóa chất trong lò phản ứng, phương pháp tổng hợp thủy nhiệt của họ kết tinh catốt bằng cách sử dụng kim loại hòa tan trong etanol. Ethanol an toàn hơn để lưu trữ và xử lý so với amoniac, và sau đó nó có thể được chưng cất và tái sử dụng.
Ilias Belharouak của ORNL, điều tra viên chính của dự án cho biết: "Quy trình mới lạ này mang lại lợi thế chính trong việc chuyển ngành công nghiệp catốt sang sản xuất sạch hơn và cạnh tranh hơn về chi phí trong khi giảm gánh nặng cho môi trường của chúng ta".
Nhà nghiên cứu hàng đầu của ORNL, ông Rachid Essehli cho biết, phương pháp tổng hợp thủy nhiệt cũng nhanh hơn nhiều. Thời gian cần thiết để tạo ra các hạt và chuẩn bị cho lô catốt tiếp theo giảm từ vài ngày xuống còn 12 giờ.
Ngoài ra, vật liệu được sản xuất có các hạt tròn, đồng đều hơn, được đóng gói chặt chẽ hơn, lý tưởng cho cực âm, Essehli cho biết. Mặc dù nhóm ORNL trước đây đã xác định các kết hợp không có coban khác hoạt động hiệu quả, nhưng vật liệu được phát triển thông qua nghiên cứu này tốt hơn trong việc duy trì sự ổn định trong suốt chu kỳ sạc pin.
Vì các đặc tính của nó tương tự như các catốt dựa trên coban ngày nay, nên vật liệu mới có thể được tích hợp liền mạch vào các quy trình sản xuất pin hiện có. Ông Essehli cho biết công nghệ này đang chờ cấp bằng sáng chế và sẵn sàng được nhân rộng để sản xuất thương mại theo ngành. Ông nói: "Vật liệu cực âm này có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn và giảm chi phí cho pin ô tô điện".
