Pin sạc dung lượng cao và hoạt động ổn định là thành phần quan trọng của hầu hết các thiết bị và phương tiện vận tải hiện đại. Pin đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi sang một thế giới xanh sạch và bền vững.
Trong quy trình chế tạo pin lithium–ion phổ dụng hiện này, các nhà sản xuất sử dụng nhiều nguyên tố quý hiếm khác nhau được, trong đó có cobalt. Quá trình khai thác và sản xuất nguyên tố này gây ra một số vấn đề cho môi trường, kinh tế và đời sống xã hội.
Lần đầu tiên, trong một nghiên cứu gần đây, nhóm nhà khoa học đến từ Đại học Tokyo giới thiệu một giải pháp thay thế cobalt khả thi, có những tính chất vượt trội hơn so với các hợp chất hóa học dùng cho pin tiên tiến nhất. Cấu trúc pin mới không cobalt cũng cung cấp một số lượng lớn chu kỳ sạc xả. Nguyên lý cơ bản của loại pin không cobalt có thể được áp dụng để giải quyết những vấn đề khác.
Cobalt trong pin điện có tác động tiêu cực đến môi trường và xã hội
Cobalt được sử dụng rộng rãi cho một bộ phận quan trọng của pin lithium-ion, các điện cực. Tất cả các loại pin đều hoạt động theo phương thức giống nhau: Hai điện cực dương và cực âm, thúc đẩy dòng ion lithium di chuyển trong chất điện phân khi được kết nối với mạch điện bên ngoài.
Điều quan trọng, cobalt là một nguyên tố hiếm, đến mức hiện nay chỉ có một nguồn chính duy nhất là những mỏ cobalt thuộc nước Cộng hòa Dân chủ Congo. Trong nhiều năm, Liên Hợp Quốc đã được nghe báo cáo về những vấn đề như hậu quả môi trường của các mỏ cobalt, điều kiện lao động cực khổ, sử dụng lao động trẻ em. Từ góc độ chuỗi cung ứng cho xe điện, nguồn cobalt là một vấn đề lớn do tình hình bất ổn chính trị và kinh tế trong khu vực.
GS Atsuo Yamada thuộc Khoa Kỹ thuật Hệ thống Hóa học Đại học Tokyo cho biết: “Có nhiều lý do khiến chúng tôi muốn chuyển đổi không sử dụng cobalt để tăng cường mật độ năng lượng của pin lithium-ion. Đối với chúng tôi, thách thức này mang tính kỹ thuật nhưng có thể tác động đến môi trường, kinh tế, xã hội và công nghệ. Chúng tôi vui mừng thông báo về một giải pháp thay thế cobalt mới bằng phương thức sử dụng một kết hợp mới các nguyên tố trong điện cực, bao gồm lithium, nickel, mangan, silicon và oxy, đây là những nguyên tố phổ biến hơn và ít gặp vấn đề trong khai thác, sản xuất và hoạt động”.
Công nghệ pin có tiềm năng ứng dụng cao
Các điện cực và chất điện phân mới mà nhóm nghiên cứu do GS Yamada dẫn đầu phát triển không chỉ không sử dụng cobalt mà còn thực sự cải thiện tính chất hóa học của pin hiện nay. Mật độ năng lượng của pin lithium-ion mới cao hơn khoảng 60%, tương đương với tuổi thọ kéo dài hơn, tế bào pin cung cấp điện áp 4,4 volt, cao hơn so với khoảng 3,2-3,7 volt của pin lithium-ion thông thường.
Một trong những thành tựu công nghệ lớn nhất là tăng cường tính năng kỹ thuật sạc lại. Pin thử nghiệm với hóa chất mới có thể sạc và xả đầy liên tục trong hơn 1.000 chu kỳ, tương tự 3 năm sử dụng và sạc đầy đủ, chỉ suy giảm khoảng 20% dung lượng lưu trữ.
Công trình khoa học của nhóm nghiên cứu do GS Yamada dẫn đầu đặt mục tiêu hoàn thiện hơn nữa pin lithium-ion, loại bỏ các nguyên liệu quý hiếm để giúp pin điện rẻ hơn, nhưng các khái niệm công nghệ nền tảng cho sự thay thế coban của nhóm có thể được áp dụng cho những quy trình và thiết bị điện hóa khác như ứng dụng cho các loại thiết bị lưu trữ khác, phân tách nước để sản xuất hydro và oxy, luyện hóa quặng, mạ điện và nhiều ứng dụng khác.
Theo Scitech Daily
