Nước biển có thể là nguồn cung vô hạn vật liệu làm pin

Jang Wook Choi, kỹ sư hóa học tại Đại học Quốc gia Seoul. Nguồn:startup.kaist.ac.kr

“Đây là một phát hiện đột phá”, Jang Wook Choi, kỹ sư hóa học tại Đại học Quốc gia Seoul, người không tham gia vào nghiên cứu, nói và cho biết thêm là phương pháp này cũng có thể áp dụng vào việc thu hồi lithium từ pin đã sử dụng.

Ưu điểm của lithium là có thể lưu trữ nhiều năng lượng trên mỗi đơn vị trọng lượng hơn so với các vật liệu khác. Các nhà sản xuất sử dụng hơn 160.000 tấn lithium mỗi năm, dự kiện con số này sẽ tăng gần 10 lần trong thập kỷ tới. Nhưng nguồn cung lithium lại hạn chế và chỉ tập trung ở một số quốc gia, cũng như chỉ có thể khai thác từ các mỏ hoặc chiết xuất từ nước mặn.

Tình trạng khan hiếm lithium đã làm dấy lên mối lo ngại rằng giá pin có thể tăng vọt và kìm hãm sự phát triển của xe điện và các công nghệ phụ thuộc lithium khác như Tesla Powerwalls, loại pin thường được sử dụng để lưu trữ năng lượng mặt trời trên mái nhà.

Nước biển có thể là câu trả lời cho vấn đề này. Các đại dương trên thế giới chứa khoảng 180 tỷ tấn lithium. Nhưng chúng đã bị pha loãng đến khoảng 0,2 phần triệu. Các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra các loại bộ lọc và màng để cố gắng chiết xuất có chọn lọc lithium từ nước biển, nhưng những nỗ lực đó chủ yếu dựa vào việc làm bay hơi phần lớn nước để tập trung lithium, đòi hỏi phải sử dụng diện tích đất lớn và thời gian dài. Cho đến nay những nỗ lực như vậy không hiệu quả về mặt kinh tế.

Choi và các nhà nghiên cứu khác cũng đã cố gắng sử dụng các điện cực pin lithium-ion để thu lithium trực tiếp từ nước biển và nước muối mà không cần phải làm bay hơi nước. Những điện cực này bao gồm các vật liệu xếp lớp giống như bánh sandwich được thiết kế để bẫy và giữ các ion lithium khi pin sạc. Trong nước biển, một điện áp âm được đặt vào một điện cực hấp thu lithium sẽ kéo các ion lithium vào điện cực. Nhưng nó cũng kéo theo sodium, một nguyên tố tương tự về mặt hóa học tồn tại trong nước biển với mật độ gấp 100.000 lần so với lithium. Nếu hai nguyên tố cùng đi vào điện cực với cùng một tốc độ, sodium gần như hoàn toàn lấn át lithium.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do Yi Cui - nhà khoa học vật liệu tại Đại học Stanford - dẫn đầu, đã tìm cách để khiến vật liệu điện cực hấp thu một cách có chọn lọc hơn. Đầu tiên, họ phủ một lớp titan dioxide mỏng lên điện cực để làm rào cản. Vì các ion lithium nhỏ hơn natri, nên chúng dễ dàng luồn lách qua và đi vào trong bánh sandwich điện cực.

Các nhà nghiên cứu cũng thay đổi cách điều khiển điện áp. Thay vì đặt một điện áp âm không đổi vào điện cực, như những người khác đã làm, họ đặt điện áp theo chu kỳ. Đầu tiên, họ dùng điện áp âm, sau đó họ nhanh chóng tắt đi. Tiếp theo, họ đặt điện áp dương, tắt một lần nữa và cứ thế lặp lại chu kỳ.

Cui giải thích, sự thay đổi điện áp làm cho các ion lithium và sodium di chuyển vào điện cực, dừng lại và sau đó lại di chuyển ra ngoài khi dòng điện đảo chiều. Tuy nhiên, do vật liệu điện cực có ái lực với lithium cao hơn một chút so với sodium, các ion lithium sẽ vào điện cực nhanh hơn sodium và đi ra ngoài chậm hơn. Vì vậy việc lặp lại chu trình này giúp tập trung lithium trong điện cực. Sau 10 chu kỳ như vậy, chỉ mất vài phút, Cui và các đồng nghiệp thu được tỷ lệ một-một giữa lithium và sodium, họ đã báo cáo thành tựu này trên Joule.

"Phương pháp mới này đã tăng ít nhất là gấp đôi khả năng chọn lọc lithium," Chong Liu, nhà khoa học vật liệu tại Đại học Chicago, trước đây từng làm nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Cui, cho biết.

Dù phương pháp này vẫn khá đắt so với việc khai thác lithium trên đất liền, Liu nói. Tuy nhiên, cô cho biết nhóm nghiên cứu đang cố gắng tăng tính chọn lọc bằng cách sử dụng các loại điện cực pin lithium-ion khác.

Choi cho biết thêm, có thể áp dụng phương phức này để thu hồi lithium từ pin qua sử dụng.