Vật liệu mới giúp việc tái chế nhiều loại pin trở nên đơn giản và tiết kiệm

Vật liệu mới giúp việc tái chế nhiều loại pin trở nên đơn giản và tiết kiệm

    Vật liệu mới giúp việc tái chế nhiều loại pin trở nên đơn giản và tiết kiệm

    Chen Fang cầm một lọ (bên trái) chứa lá đồng thu dòng điện từ pin đã được loại bỏ hoàn toàn các thành phần điện cực có giá trị sau khi Chất kết dính giải phóng nhanh được hòa tan và một lọ khác (bên phải) trong đó chất kết dính đang hòa tan tích cực trong nước kiềm. Để so sánh, các chất kết dính thông thường liên kết chặt chẽ các vật liệu điện cực với các bộ thu dòng giống như một loại keo, khiến cho việc tách và do đó tái chế các vật liệu điện cực pin trở nên khó khăn. Ảnh: Marilyn Sargent/Phòng thí nghiệm Berkeley

    Material makes it simple and economical to recycle a wide range of batteries
    Pin lithium-ion đã cách mạng hóa thiết bị điện tử và cho phép chuyển đổi nhanh chóng sang năng lượng sạch. Những loại pin này đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của thế kỷ 21, nhưng chúng ta có nguy cơ cạn kiệt trước năm 2050. Các nguyên tố chính được sử dụng trong mỗi pin—kim loại lithium, niken và coban cũng như than chì—ngày càng khan hiếm và đắt đỏ, và có rất ít sự giám sát về môi trường hoặc lao động công bằng đối với một số chuỗi cung ứng quốc tế còn lại.

    Có một nhu cầu cấp thiết là bắt đầu tái sử dụng các vật liệu mà chúng tôi đã đào lên và làm cho quy trình sản xuất pin an toàn hơn và công bằng hơn cho tất cả mọi người. Một nhóm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) đã phát minh ra một vật liệu pin mới từng đoạt giải thưởng có thể kiểm tra cả hai hộp. Sản phẩm của họ, được gọi là Quick-Release Binder, giúp việc tách các vật liệu có giá trị trong pin Li-ion khỏi các thành phần khác trở nên đơn giản và hợp túi tiền và phục hồi chúng để tái sử dụng trong pin mới.

    Trưởng dự án Gao Liu, một nhà khoa học cấp cao trong Khu vực Công nghệ Năng lượng của Phòng thí nghiệm Berkeley và là thành viên của Trung tâm Lưu trữ Năng lượng Phòng thí nghiệm Berkeley cho biết: “Chúng tôi đang đi đến điểm rằng việc tái chế pin sẽ là một yêu cầu bắt buộc. "Nếu chúng ta không ngừng đốt và ném chúng vào thùng rác, chúng ta sẽ cạn kiệt tài nguyên trong mười năm tới. Không thể theo kịp số lượng pin mà thị trường đang yêu cầu. Không có đủ coban , không đủ niken—chúng ta phải tái chế."

    Chỉ cần mở pin được làm bằng Chất kết dính giải phóng nhanh, cho vào nước kiềm ở nhiệt độ phòng và lắc nhẹ. Các phần tử tách ra dễ dàng được lọc ra khỏi nước và sấy khô trong không khí.

    Đó là một sự tương phản rõ nét với quá trình tái chế Li-ion hiện tại, bao gồm việc cắt nhỏ và mài pin đầu tiên, sau đó đốt chúng để tách kim loại khỏi các thành phần khác. Các công ty tái chế đặt mục tiêu làm cho các quy trình của họ hiệu quả nhất có thể, nhưng do thiết kế trước đây và hiện tại của hầu hết các loại pin, việc thu hồi các nguyên tố vẫn tốn nhiều năng lượng, tốn kém và giải phóng các hóa chất độc hại cần được quản lý cẩn thận.

    Chỉ cần thêm nước (kiềm)
    Liu và nhóm của ông tại Trung tâm Lưu trữ Năng lượng Phòng thí nghiệm Berkeley đang nghiên cứu về pin lithium-lưu huỳnh—một trong những giải pháp thay thế khả dĩ cho Li-ion truyền thống đang được phát triển—khi họ tạo ra Chất kết dính giải phóng nhanh. Pin lithium-lưu huỳnh là một khái niệm nóng trong thế giới nghiên cứu và phát triển pin vì chúng có thể được tạo ra mà không cần coban hiếm và có mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn Li-ion; nhưng có rất nhiều vấn đề về chức năng phải được giải quyết trước khi pin có thể được sử dụng thương mại. Chất kết dính Quick-Release sẽ làm cho pin Li-S có thể tái chế dễ dàng và dường như giải quyết được một trong những vấn đề chính về hiệu suất. Phát hiện này khá thú vị, nhưng Chen Fang, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Liu, nhận ra rằng vật liệu kết dính mới của họ thậm chí còn có tiềm năng lớn hơn: nó cũng có thể được sử dụng trong pin Li-ion ngày nay.

    Chất kết dính là chất giống như keo được sử dụng trong hầu hết các loại pin, bao gồm cả Li-ion và pin kiềm mà chúng ta sử dụng trong đồ gia dụng. Pin có hai điện cực—cực âm tích điện dương và cực dương tích điện âm—được làm bằng các hóa chất dẫn điện tạo ra dòng điện và vật liệu kết cấu giữ cố định các thành phần hoạt tính để có hiệu suất ổn định và lâu bền. Chất kết dính, đúng như tên gọi, liên kết các thành phần này lại với nhau và giúp duy trì cấu trúc của pin.

    Chất kết dính giải phóng nhanh mới được làm từ hai polyme có sẵn trên thị trường, axit polyacrylic (PAA) và polyethylenimine (PEI), được liên kết với nhau thông qua liên kết giữa các nguyên tử nitơ tích điện dương trong PEI và các nguyên tử oxy tích điện âm trong PAA. Khi vật liệu kết dính rắn được đặt trong nước kiềm có chứa natri hydroxit (Na+OH–), ion natri sẽ xuất hiện tại vị trí liên kết, phá vỡ hai polyme. Các polyme tách rời hòa tan vào chất lỏng, giải phóng bất kỳ thành phần điện cực nào được nhúng bên trong.

    Chất kết dính có thể được sử dụng để tạo cực dương và cực âm, và có giá chỉ bằng một phần mười so với hai trong số các chất kết dính thương mại được sử dụng phổ biến nhất. "[Trong nghiên cứu gần đây của chúng tôi] chúng tôi đã chứng minh rằng toàn bộ quy trình rất dễ dàng ở quy mô phòng thí nghiệm và chúng tôi không hiểu tại sao nó không hoạt động tốt như nhau ở quy mô công nghiệp", Fang nói. Ông nói thêm rằng đội tin rằng vật liệu này có thể được sử dụng cho các loại pin ở mọi kích cỡ, từ loại nhỏ trong điện thoại di động đến loại pin cực lớn đang được triển khai để lưu trữ năng lượng dự phòng trên lưới điện quốc gia.

    Vào cuối tháng 9, công nghệ này đã được Giải thưởng R&D 100 công nhận là một trong 100 công nghệ mang tính cách mạng hàng đầu được phát triển trên toàn cầu vào năm 2022.

    Material makes it simple and economical to recycle a wide range of batteries

    Muhammad Ihsan Ul Haq chuẩn bị pin dạng đồng xu, được sử dụng trong nhiều thiết bị như đồng hồ đeo tay, để tái chế vật liệu bằng Chất kết dính nhả nhanh. Các thử nghiệm của nhóm cho thấy chất kết dính có thể hoạt động với nhiều loại pin. Ảnh: Marilyn Sargent/Phòng thí nghiệm Berkeley


    Nhóm hiện đang làm việc với Steve Sloop, một nhà phát triển tái chế pin và là người sáng lập OnTo Technologies, để hoàn thành thử nghiệm sản phẩm và đưa nó ra thị trường. Các thí nghiệm trước đây đã chứng minh rằng chất kết dính có độ ổn định cao ở điện áp cao và thấp, và hiện tại họ có kế hoạch chế tạo pin Li-ion nguyên mẫu với chất kết dính để phân tích hiệu suất của nó một cách toàn diện và giới thiệu chức năng của nó.

    Nếu các thử nghiệm này diễn ra suôn sẻ, các nhà khoa học dự đoán quá trình chuyển đổi suôn sẻ sang sản xuất thương mại. Chen cho biết: “Không có trở ngại cơ bản nào trong việc điều chỉnh quy trình sản xuất hiện tại để sử dụng chất kết dính vì nó thực sự sẽ đơn giản hóa quá trình sản xuất vì lý do tương tự như nó đơn giản hóa việc tái chế—bạn có thể sử dụng nước thay vì dung môi khắc nghiệt”. Để chế tạo pin mới, các nhà sản xuất xử lý chất kết dính bằng dung môi hóa học để tạo ra hỗn hợp sệt chứa tất cả các thành phần điện cực, sau đó được lắng đọng ở hình dạng và độ dày mong muốn trên các tấm điện cực. "Điều này có nghĩa là các nhà sản xuất hiện tại cần thiết lập các công cụ hoặc cơ sở bổ sung để bảo vệ người lao động khỏi hơi dung môi độc hại và để quản lý việc xử lý dung môi một cách an toàn." Quick-Release Binder sẽ loại bỏ các bước đó.

    Thiết kế lại vòng đời pin
    Theo Sloop, Quick-Release Binder đại diện cho một sự thay đổi mô hình trong thiết kế pin. Thay vì chế tạo pin tiên tiến và cố gắng tạo ra một quy trình tái chế sau khi thực tế xảy ra, nhóm của Liu là những người đầu tiên "thiết kế để tái chế".

    Sloop cho biết: “Chất kết dính có một tính năng tuyệt vời là nó có thể được 'giải nén' với chi phí thấp, quá trình xử lý thân thiện với môi trường, mang lại lợi ích cho tất cả chúng ta bằng cách cải thiện tính bền vững về kinh tế và môi trường của các hệ thống pin tiên tiến". "Đó cũng là một thành tích tuyệt vời khi pin không chứa các chất perfluoroalkyl và polyfluoroalkyl (PFAS)—họ các hợp chất được sử dụng để sản xuất lớp phủ chống dính và nhiều sản phẩm khác, nhưng điều này cực kỳ quan trọng đối với tương lai. Khách hàng không muốn chúng đến hạn mối liên hệ đang nổi lên với các vấn đề sức khỏe và tôi nghĩ rằng các cơ quan quản lý sẽ sớm đồng ý rằng chúng ta không thể tiếp tục sử dụng các hóa chất này."

    Nhìn về tương lai, Liu và Sloop đang gặp gỡ các công ty pin và nhà sản xuất chất kết dính để thảo luận về thương mại hóa. Họ hy vọng sẽ cấp phép cho công nghệ Quick-Release để nó có thể được sử dụng trong tất cả các thương hiệu Li-ion lớn. Một ngày nào đó, phát minh của nhóm có thể nằm trong tất cả các loại pin dưới mái nhà và dưới mui xe của chúng ta—để các kim loại đất hiếm còn lại nằm dưới lòng đất.

    Zalo
    Hotline