VINACHEM

Tất cả các loại pin liti-ion thương mại hiện nay đều sử dụng catốt có chứa coban, coban là thành phần quan trọng cho pin liti-ion trong hầu hết smartphone, laptop, tablet hoặc xe ôtô điện.

Số liệu thống kê cho thấy, 30.000 tấn coban đã được sử dụng chỉ trong năm 2019 để sản xuất pin. Tuy nhiên, nguồn cung kim loại đắt tiền này hiện nay đang gặp rất nhiều vấn đề. Khoảng hai phần ba hoạt động khai thác coban trên thế giới diễn ra tại Cộng hòa dân chủ Conggo, tại đây những hoạt động này bị tố cáo có liên quan đến các vi phạm nhân quyền và phá hoại môi trường.

Vật liệu catốt của pin liti-ion là những tinh thể liti và oxit kim loại phân lớp, trong đó kim loại là hỗn hợp niken, coban, nhôm và mangan. Bản thân niken đã có khả năng tạo ra những loại pin với mật độ năng lượng rất cao, cho phép xe điện đi được những quãng đường xa. Nhưng niken không ổn định và có hoạt tính phản ứng cao. Coban là yếu tố then chốt giúp tăng mật độ năng lượng và tuổi thọ của pin vì nó giữ cho cấu trúc phân lớp ổn định khi ion liti di chuyển ra vào catốt trong quá trình hoạt động của pin.

Phần lớn các loại pin xe ôtô điện ngày nay đều sử dụng catốt niken-mangan-coban, trong đó niken chiếm 60%, còn coban và mangan mỗi loại chiếm 20%. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm cách tăng hàm lượng niken lên 80% và giảm hàm lượng các kim loại kia xuống chỉ còn 10%.

Nhưng một số nhà sản xuất xe ôtô điện mong muốn loại bỏ hoàn toàn coban do tình trạng khan hiếm của nó và các vấn đề đạo lý liên quan đến hoạt động khai thác. Mặc dù vậy, cho đến nay các loại catốt không chứa coban vẫn chỉ có hiệu quả thấp và chưa được thử nghiệm trong pin thực tế.

Nay một loạipin liti-ion với kiểu catốt mới do các nhà khoa học tại Đại học Texas (Austin, Mỹ)chế tạo có thể giúp giải quyết vấn đề này. Các khảo sát thí nghiệm cho thấy, loại pin mới có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn và có số chu kỳ nạp - phóng điện nhiều hơn hàng trăm lần so với pin liti-ion thông thường.

Nhà hóa học Arumugam Manthiram và đồng nghiệp tại Đại học Texas đã chế tạo thành công một loại vật liệu catốt có hiệu quả cao và không chứa coban, trong đó 89% là niken, phần còn lại là nhôm và mangan. Theo các nhà sáng chế, việc tạo ra tinh thể phân lớp với các ion kim loại phân bố đồng đều là yếu tố quyết định để sản xuất catốt có hiệu quả hoạt động cao, nhưng nếu không có coban thì việc này thường rất khó khăn, vì các ion kim loại có xu hướng nằm cách xa nhau.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Texas đã đạt được sự phân bố đồng đều của các ion kim loại bằng cách kiểm soát quá trình tổng hợp hóa học của chúng. Trước tiên, họ phối trộn các dung dịch nước của muối niken, mangan và nhôm, sau đó bổ sung KOH và NH₃OH để đạt độ pH chính xác và gia nhiệt có kiểm soát đến 50^oC. Điều đó buộc các hydroxit kim loại phải cùng kết tủa ra khỏi dung dịch, giữ cho các ion phân bố đồng đều.Tiếp theo, các chất kết tủa được lọc ra và phối trộn với LiOH, sau đó được gia nhiệt cho đến khi các hạt nano nung kết thành vật liệu catốt cuối cùng ở dạng các khối tròn đường kính 12 μm.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo pin với catốt mới và anôt graphit thông thường, sau đó so sánh với pin sử dụng catốt niken - mangan - coban. Kết quả cho thấy, pin sử dụng catốt mới có mật độ năng lượng cao hơn và số chu kỳ nạp - phóng điện lớn hơn 1000. Các nhà nghiên cứu đã thành lập công ty start - up là TexPower để thương mại hóa vật liệu mới.

Tuy hiệu quả và độ an toàn dài hạn của vật liệu mới sẽ còn cần phải được đánh giá ở quy mô công nghiệp, nhưng các chuyên gia trong ngành cho rằng đây là một bước phát triển rất quan trọng. Theo một chuyên gia tư vấn trong lĩnh vực pin liti, có khả năng các nhà nghiên cứu Texas cuối cùng đã tìm ra catốt không chứa coban mà nhiều nhà khoa học trên thế giới đang nỗ lực tìm kiếm bấy lâu nay.

HS, theoChemical & Engineering News 7-2020