Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp đột phá để phục hồi trực tiếp vật liệu cathode LiFePO4 (LFP) đã qua sử dụng từ pin xe điện (EV). Phương pháp sáng tạo này sử dụng các chất cho electron tự nhiên, cụ thể là polyphenol trong trà, để trẻ hóa vật liệu cathode bị suy thoái một cách tiết kiệm chi phí, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.
Nghiên cứu này là sự hợp tác giữa Viện Vật lý Chất rắn thuộc Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cùng với Trường Sau đại học Quốc tế Thâm Quyến của Đại học Thanh Hoa và Đại học Công nghệ Tô Châu. Sự gia tăng nhanh chóng của pin lithium-ion trong các phương tiện năng lượng mới đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể các kho pin đã loại bỏ, đặt ra những thách thức về môi trường và tính bền vững của tài nguyên.
Các phương pháp tái chế truyền thống, như quy trình luyện kim ướt và luyện kim khô, chủ yếu thu hồi kim loại có giá trị nhưng kém hiệu quả trong việc khôi phục chức năng của vật liệu cathode LFP. Những phương pháp này thường dẫn đến lãng phí tài nguyên và dấu chân sinh thái lớn hơn. Công nghệ tái tạo mới tập trung vào việc sửa chữa cấu trúc vật liệu của cathode để khôi phục hiệu suất điện hóa của nó mà không cần phân rã nó thành cấp độ nguyên tố.
Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Advanced Materials, giới thiệu một chiến lược sử dụng polyphenol trong trà – các hợp chất tự nhiên được biết đến với khả năng cho electron – để đảo ngược sự suy thoái trong cathode LFP. Chất cho electron sinh học này khởi tạo một quá trình khử, chuyển đổi các pha FePO4 bị suy thoái trở lại thành LFP chức năng, đồng thời giảm thiểu các vị trí khuyết tật cản trở sự di chuyển của ion lithium. Khả năng phục hồi này có thể giúp giảm lượng khí thải carbon từ sản xuất pin mới, vốn có thể dao động từ 2,5 đến 16 tấn CO2 cho mỗi bộ pin EV.
Cốt lõi của kỹ thuật tái tạo này là sự tương tác hiệp đồng giữa các chất cho electron gốc hydroxyl có trong polyphenol trà và các muối lithium bổ sung. Sự kết hợp này khôi phục tỷ lệ hợp thức và kiến trúc tinh thể ban đầu của LFP, đồng thời sửa chữa các khuyết tật chống cặp ion lithium-sắt. Phương pháp này tái tạo hiệu quả mạng tinh thể và thiết lập lại các đường dẫn khuếch tán ion lithium nhanh chóng, điều cần thiết cho hiệu suất pin tốc độ cao. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tái chế pin lithium-ion có thể giảm tới 30% lượng khí thải carbon so với việc sản xuất vật liệu mới.
Ngoài ra, nghiên cứu giải quyết thách thức về các lớp carbon dẫn điện bị hư hỏng hoặc thiếu sót. Các nhà nghiên cứu đã đưa một nguồn nhôm vào trong quá trình tái tạo, nguồn này phản ứng để tạo thành một lớp phủ bề mặt composite gồm nhôm photphat vô định hình (AlPO4) và lithium photphat (Li3PO4). Lớp phủ này khôi phục tính toàn vẹn của bề mặt và thiết lập lại các kênh vận chuyển ion-electron kép, nâng cao khả năng tốc độ và độ ổn định điện hóa của cathode. Việc tích hợp nhôm vào ma trận cathode số lượng lớn cũng cung cấp sự tăng cường cấu trúc thông qua pha tạp một phần, củng cố khung chống lại sự di chuyển của ion sắt. Sự di chuyển ion này, thường là nguyên nhân gốc rễ của sự suy giảm dung lượng, được ngăn chặn hiệu quả. Kết quả là, cathode LFP được tái tạo thể hiện độ bền chu kỳ được kéo dài mà không ảnh hưởng đến mật độ năng lượng nội tại của nó.
Theo một phân tích vòng đời của Đại học Stanford, việc tái chế pin lithium-ion có thể giảm 58% - 81% lượng khí thải nhà kính, sử dụng 72% - 88% ít nước hơn và sử dụng 77% - 89% ít năng lượng hơn so với khai thác và chế biến hóa chất mới. Quy trình tái tạo trực tiếp bằng polyphenol trà này không chỉ làm sống lại các cathode LFP đã qua sử dụng mà còn tuân thủ các yêu cầu toàn cầu về quản lý vòng đời pin xanh và bền vững.
Công nghệ này tránh được nhu cầu năng lượng cao và chất thải hóa học nguy hại điển hình của các phương pháp luyện kim, mang đến một giải pháp có khả năng mở rộng, có thể giảm đáng kể chi phí tái chế và gánh nặng môi trường. Khả năng phục hồi vật liệu cathode ở cấp độ phân tử mở ra con đường cho các thiết kế pin và hệ thống tái chế sáng tạo. Những chiến lược tái tạo như vậy có tiềm năng biến đổi ngành công nghiệp pin lithium-ion bằng cách đóng vòng lặp hiệu quả hơn, cho phép vật liệu được tái sử dụng nhiều lần trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của hiệu suất, do đó thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn trong các công nghệ lưu trữ năng lượng.
Cách tiếp cận hợp tác đa ngành kết hợp hóa học, khoa học vật liệu và kỹ thuật môi trường nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu tích hợp trong việc giải quyết các thách thức phức tạp trong lĩnh vực năng lượng. Nó minh họa cách các hợp chất có nguồn gốc sinh học có thể được tận dụng để trẻ hóa vật liệu tiên tiến, kết nối hóa học sản phẩm tự nhiên với kỹ thuật điện hóa. Mặc dù vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu, khả năng mở rộng và tính khả thi về kinh tế của phương pháp này có vẻ đầy hứa hẹn, đặc biệt là xem xét bản chất phong phú và chi phí thấp của các chất cho electron tự nhiên liên quan. Các hướng đi trong tương lai bao gồm tối ưu hóa các thông số quy trình để triển khai công nghiệp và mở rộng chiến lược tái tạo này cho các loại hóa học cathode khác bị suy thoái cấu trúc trong pin đã loại bỏ.