Đột phá "vô song": Trung Quốc tìm ra công nghệ phục hồi pin lithium-ion đã bị chai, không cần tháo rời vẫn đưa được pin về trạng thái như mới "xuất xưởng", có thể đạt tuổi thọ 60.000 chu kỳ sạc-xả trong 164 năm

Trong một bước đột phá có thể cách mạng hóa ngành công nghiệp pin trên toàn thế giới, các nhà khoa học Trung Quốc tuyên bố họ đã phát triển thành công một công nghệ mới, có khả năng kéo dài tuổi thọ của pin lithium-ion lên đến 11.900%, ngay cả khi chúng đã bị chai.

Con số không tưởng này có thể đạt được thông qua một công nghệ phục hồi pin lithium-ion tại chỗ, không cần tháo rời, mà chỉ cần tiêm một dung dịch "làm mới" vào quả pin đã bị chai là đã có thể đưa nó về trạng thái như vừa "xuất xưởng".

Chu kỳ sạc-xả đại diện cho tuổi thọ của pin, theo đó cũng tăng từ khoảng 2.000 với các loại pin lithium-ion phổ biến hiện nay lên tới 60.000 chu kỳ. Tưởng tượng mỗi ngày bạn sạc điện thoại 1 lần, thì sau 164 năm sử dụng, pin điện thoại của bạn vẫn còn giữ được tới 80% dung lượng, thậm chí nó vẫn có thể tiếp tục được làm mới.

Con số tương tự cũng có thể được áp dụng cho bất cứ thiết bị sử dụng pin lithium-ion nào, từ điện thoại, laptop cho đến ô tô điện. Một chiếc ô tô có niên hạn 25 năm nhưng tuổi thọ pin có thể lên đến 164 năm.

Quả pin này có thể được sử dụng liên tiếp qua 7 thế hệ, từ bạn, đến con bạn, cháu bạn, cho đến chắt, chút, chít, và con của chít bạn (không còn từ nào để gọi thế hệ này nữa).

Không hề khiêm tốn, các nhà khoa học Trung Quốc đã tự đánh giá đột phá này của mình là một công nghệ "vô song", có một không hai trên thế giới. Hiện chưa có bất kỳ kỹ thuật nào, được phát triển bởi bất cứ quốc gia nào có khả năng đạt tới hiệu suất phục hồi pin lithium-ion tương tự.

Sớm thôi, pin sẽ trở thành bộ phận bền nhất và ít bị thay thế nhất trong mọi thiết bị điện tử - trái ngược hoàn toàn với trải nghiệm của chúng ta ngày nay, mỗi năm lại phải thay pin điện thoại 1 lần.

Pin lithium-ion, một công nghệ đoạt giải Nobel, một phát minh vĩ đại bậc nhất kể từ cách mạng công nghiệp, nhưng mà nó bị chai

Điều này xuất phát từ ngay chính bản chất và cấu tạo của pin lithium-ion. Về cơ bản, những quả pin này gồm có 4 thành phần: cực âm cathode, cực dương anode, lớp cách ly giữa hai cực để chống đoản mạch và dung dịch điện phân.

Khi một quả pin lithium-ion mới được lắp ráp, bạn sẽ cần sạc cho nó để bắt đầu tích trữ năng lượng. Quá trình sạc pin, hay kết nối 2 cực của pin vào nguồn điện, bản chất là một dòng electron bên ngoài, sẽ tạo ra áp lực để khiến các ion lithium vốn có trong cathode bị tách ra khỏi vật liệu.

Các ion này di chuyển qua dung dịch điện phân về phía cực dương anode, tự gắn chúng vào anode và tạo thành năng lượng tích trữ dưới dạng hóa học.

Ngược lại, quá trình xả pin xảy ra khi các ion lithium tại cực dương anode tách ra, di chuyển về phía cực âm cathode. Dòng chảy ion này tạo ra một dòng chảy electron ở mạch ngoài, trở thành dòng điện cung cấp cho thiết bị hoạt động.

Khi các ion lithium chảy hết từ cực dương về phía cực âm, pin sẽ cạn và bạn cần sạc nó lại một lần nữa để sử dụng. Sự kì diệu của pin lithium-ion so với các loại pin khác là bạn có thể xả và rồi sạc lại nó nhiều lần.

Nhưng có một vấn đề sẽ xảy ra khi số lượng chu kỳ sạc và xả tăng lên, thường là khoảng 500-2.000 chu kỳ, một số ion lithium sẽ tham gia vào các phản ứng phụ và biến thành cặn, không còn khả năng di chuyển giữa cực âm và cực dương của pin nữa.

Chúng sẽ trở thành một thứ mà các nhà khoa học gọi là "lithium chết", không còn khả năng tham gia vào quá trình sạc-xả của pin. Điều này làm giảm dần nồng độ ion lithium trong chất điện phân, dẫn đến khả năng giữ điện của pin giảm xuống – hiện tượng mà chúng ta gọi là chai pin.

Và khi dung lượng của pin giảm xuống dưới 80% giá trị ban đầu, pin được coi là đã hỏng. Các nhà khoa học dùng con số 80% này để tính số chu kỳ sạc-xả, đại diện cho độ bền của một quả pin.

"Đây là nguyên tắc cơ bản chi phối pin lithium-ion kể từ khi chúng được phát minh vào năm 1990", giáo sư Gao Yue, nhà khoa học đến từ Phòng thí nghiệm Trọng điểm Nhà nước về Kỹ thuật phân tử Polyme, đặt tại Đại học Fudan, Trung Quốc cho biết.

"Một khi các ion lithium cạn kiệt đến một mức độ nhất định, pin sẽ không còn sử dụng được nữa".

Chữa pin chai như chữa bệnh: Chỉ bằng một mũi tiêm duy nhất

Là nguồn cung cấp điện cho mọi thiết bị di động của con người hiện nay, từ điện thoại, máy ảnh, laptop, cho đến đồ chơi trẻ em, thuốc lá điện tử, xe ô tô điện, pin lithium-ion là một trong những phát minh có tác động lớn nhất đến đời sống của chúng ta hiện tại.

Các nhà khoa học đóng góp vào quá trình phát minh và thương mại hóa pin lithium-ion, bao gồm John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino, vì vậy đã cùng chia sẻ giải Nobel Hóa học năm 2019.

Nhưng điều mà họ chưa giải quyết được với công nghệ pin lithium-ion mà mình đã tạo ra, đó là loại pin này rất khó có thể tái chế.

Mỗi năm, thế giới sản xuất ra hàng tỷ quả pin loại này, sử dụng 180.000 tấn lithium để tạo ra hơn 1.000 GWh điện. Nhưng chỉ có 5% pin lithium-ion có thể quay trở lại tái chế.

Nguyên nhân là vì quá trình tháo tách pin lithium-ion rất phức tạp. Việc tái chế từng thành phần của những quả pin này cũng không đạt được hiệu suất cao, khiến giá thành sản xuất pin lithium-ion mới còn rẻ hơn cả tái chế những quả pin cũ.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm của giáo sư Gao tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Nhà nước về Kỹ thuật phân tử Polyme, Trung Quốc đã tiếp cận mục tiêu tái chế pin lithium-ion bằng một góc nhìn hoàn toàn mới.

Họ không coi một quả pin chai là một quả pin chết và cần được tái chế. Họ coi đó là một quả pin bị bệnh và chỉ cần chữa khỏi.

"Sau khi xem xét các nguyên lý cơ bản của pin và sau nhiều lần thử nghiệm, chúng tôi nhận ra rằng chúng hỏng theo một cách tương tự như cơ thể con người khi bị bệnh", giáo sư Gao giải thích.

"Vậy tại sao không phát triển các vật liệu để bổ sung ion lithium và kéo dài tuổi thọ cũng như thời gian sử dụng của pin, giống như cách chúng ta chữa lành bệnh tật?".

Việc bổ sung ion lithium được giáo sư Gao thực hiện thông qua việc tiêm trực tiếp một muối lithium hữu cơ (lithium trifluoromethanesulfinate (LiSO₂CF₃ ) vào bên trong quả pin mà không cần tháo rời nó.

Các ion lithium trong muối thay thế các ion lithium "chết" ở trong pin. Chúng sẽ bù đắp cho dung lượng pin mất đi trong chất điện phân, từ đó khôi phục lại dung lượng ban đầu và kéo dài tuổi thọ cho pin lithium-ion.

Các thực nghiệm được tiến hành cho thấy việc tiêm muối lithium đã có thể giúp một cell pin loại graphite|LiFePO₄ đang được thương mại hóa duy trì dung lượng 96,0% sau 11.818 chu kỳ sạc-xả.

Điều đó có nghĩa là nó vẫn có thể giữ được 80% dung lượng sau 60.000 chu kỳ. So sánh với con số của pin lithium-ion hiện tại là 500–2.000 lần sạc-xả.

Một đột phá "vô song" của Trung Quốc

Vì những gì mà công nghệ này đạt được quá ấn tượng, giáo sư Gao có lẽ đã không cần phải khiêm tốn khi nói về chính nghiên cứu của mình. Ông gọi nó là một thành tựu "vô song" mà các nhà khoa học Trung Quốc đã đạt được trên trường quốc tế.

Giáo sư Gao cho biết nghiên cứu đã được đăng trên tạp chí Nature của ông sẽ mở đường cho các thế hệ pin lithium hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí và giải quyết trọn vẹn mọi vấn đề đang còn tồn tại với loại pin này, từ dung lượng, tuổi thọ cho đến vấn đề môi trường.

Thống kê cho thấy Trung Quốc hiện là nhà sản xuất pin lithium-ion số một thế giới, chiếm khoảng 70% sản lượng toàn cầu. Trong đó, tới 80% pin lithium-ion được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một phát minh mới nổi: xe điện.

Khi xe ô tô điện được tạo ra để thay thế xe xăng, với lý do bảo vệ môi trường, nhiều người đã tự hỏi chúng có bảo vệ môi trường thật hay không, khi 95% những quả pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho xe điện sẽ bị chôn xuống đất sau khi bị vắt kiệt?

Ngay tại thời điểm này, thế hệ xe điện đầu tiên của Trung Quốc đang dần đạt đến cuối vòng đời của chúng, ngành tái chế và xử lý pin của nước này cũng đã cho thấy những dấu hiệu căng thẳng.

Dữ liệu từ Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Trung Quốc cho thấy hơn 580.000 tấn pin xe điện đã bị cạn kiệt vào năm 2023. Và con số này có thể tăng lên gấp 6 lần, đạt 3,5 triệu tấn mỗi năm vào năm 2030.

Đối mặt với thực tế này, Trung Quốc sẽ cần chú trọng vào việc phát triển các thế hệ pin mới bền vững và lâu dài hơn, giáo sư Yao Ruiqi, một nhà hóa học tại Đại học Sư phạm Đông Bắc cho biết.

"Với việc áp dụng rộng rãi các loại xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng, việc kéo dài tuổi thọ pin sẽ giúp giảm đáng kể chi phí thay thế cho người dùng và cải thiện tính khả thi về mặt kinh tế của pin", ông nói.

Công nghệ tiêm muối lithium để hồi phục pin đã bị chai có thể giúp Trung Quốc giải quyết điều này. Nó cũng có thể tạo ra cuộc cách mạng trong ngành điện, vì pin lithium-ion cũng được sử dụng trong việc lưu trữ năng lượng gió và Mặt Trời.

Việc kéo dài tuổi thọ pin sẽ giúp tăng cường lưu trữ lưới điện, giảm chi phí vận hành và tạo ra một cuộc cách mạng xanh thực sự trong ngành điện, khi những quả pin gây ô nhiễm vốn là điểm yếu của ngành năng lượng gió và Mặt Trời được giải quyết.

Phản ứng với những thông tin về công nghệ hồi phục pin lithium-ion mới, cuối tuần qua, nhiều cổ phiếu liên quan đến nhóm ngành này tại Trung Quốc đã ngay lập tức tăng giá. Một số mã đã tăng kịch trần 20%.

Giáo sư Gao cho biết hiện nhóm của ông đang làm việc với nhiều công ty pin hàng đầu, không chỉ ở Trung Quốc mà còn trên thế giới, để nhanh chóng đưa công nghệ hồi phục pin lithium-ion vào quy trình công nghiệp, từ đó hướng tới việc thương mại hóa và áp dụng chúng vào thực tế đời sống.