Bước đột phá "chưa từng có": Trung Quốc phát triển công nghệ khôi phục pin lithium-ion bị chai mà không cần tháo rời, đưa pin trở lại trạng thái như mới "nguyên bản", với tuổi thọ lên tới 60.000 chu kỳ sạc-xả trong 164 năm.

Ngay sau khi thông tin về công nghệ đột phá này được công bố, thị trường chứng khoán Trung Quốc đã chứng kiến sự bùng nổ của các cổ phiếu liên quan đến ngành pin lithium. Nhiều mã cổ phiếu đã tăng giá mạnh, thậm chí đạt mức tăng tối đa 20%.

Trong một bước tiến có thể thay đổi hoàn toàn ngành công nghiệp pin toàn cầu, các nhà khoa học Trung Quốc đã công bố việc phát triển thành công một công nghệ mới, giúp kéo dài tuổi thọ của pin lithium-ion lên đến 11.900%, ngay cả khi chúng đã bị chai.

Con số ấn tượng này đạt được nhờ một công nghệ phục hồi pin lithium-ion tại chỗ, không cần tháo rời, chỉ cần tiêm một dung dịch "phục hồi" vào pin đã bị chai để đưa nó về trạng thái như mới "vừa xuất xưởng".

Chu kỳ sạc-xả đại diện cho tuổi thọ của pin, tăng từ khoảng 2.000 chu kỳ ở các loại pin lithium-ion phổ biến hiện nay lên tới 60.000 chu kỳ. Nếu mỗi ngày bạn sạc điện thoại một lần, sau 164 năm sử dụng, pin vẫn giữ được 80% dung lượng và có thể tiếp tục được phục hồi.

Con số này cũng áp dụng cho mọi thiết bị sử dụng pin lithium-ion, từ điện thoại, laptop đến ô tô điện. Một chiếc ô tô có niên hạn 25 năm nhưng tuổi thọ pin có thể kéo dài đến 164 năm.

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

Các nhà khoa học Trung Quốc không ngần ngại đánh giá đột phá của họ là công nghệ "độc nhất vô nhị", chưa từng có trên thế giới. Hiện tại, chưa có bất kỳ kỹ thuật nào, dù được phát triển bởi quốc gia nào, có khả năng phục hồi pin lithium-ion với hiệu suất tương tự.

Trong tương lai gần, pin sẽ trở thành bộ phận bền bỉ nhất và ít cần thay thế nhất trong mọi thiết bị điện tử - hoàn toàn trái ngược với trải nghiệm hiện tại, khi chúng ta phải thay pin điện thoại hàng năm.

Pin lithium-ion, một công nghệ đoạt giải Nobel, một phát minh vĩ đại nhất kể từ cách mạng công nghiệp, nhưng lại có nhược điểm là bị chai theo thời gian.

Điều này bắt nguồn từ chính bản chất và cấu trúc của pin lithium-ion. Về cơ bản, pin này bao gồm 4 thành phần chính: cực âm cathode, cực dương anode, lớp ngăn cách giữa hai cực để tránh đoản mạch và dung dịch điện phân.

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

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

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

Khi các ion lithium di chuyển hết từ cực dương sang cực âm, pin sẽ hết năng lượng và cần được sạc lại để tiếp tục sử dụng. Điều kỳ diệu của pin lithium-ion so với các loại pin khác là nó có thể được xả và sạc lại nhiều lần.

Tuy nhiên, một vấn đề xảy ra khi số chu kỳ sạc và xả tăng lên, thường khoảng 500-2.000 chu kỳ, một số ion lithium 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.

Chúng trở thành thứ mà các nhà khoa học gọi là "lithium chết", không còn 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 lưu trữ điện của pin giảm – hiện tượng mà chúng ta gọi là chai pin.

Khi dung lượng pin giảm xuống dưới 80% so với giá trị ban đầu, pin được coi là đã hỏng. Các nhà khoa học sử dụng con số 80% này để tính toán số chu kỳ sạc-xả, đại diện cho tuổi thọ của pin.

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

"Khi các ion lithium cạn kiệt đến một mức độ nhất định, pin sẽ không còn hoạt động được nữa".

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

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

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, đã cùng nhận giải Nobel Hóa học năm 2019.

Tuy nhiên, vấn đề mà họ chưa thể giải quyết được với công nghệ pin lithium-ion mà mình tạo ra chính là việc loại pin này rất khó tái chế.

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

Nguyên nhân là do quá trình tháo rời pin lithium-ion rất phức tạp. Việc tái chế từng thành phần của pin cũng không đạt hiệu suất cao, khiến chi phí sản xuất pin mới còn rẻ hơn so với tái chế pin cũ.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu 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 từ một góc độ hoàn toàn mới.

Họ không xem một quả pin chai là pin đã chết và cần tái chế. Thay vào đó, họ coi đó là một quả pin bị bệnh và chỉ cần được chữa lành.

"Sau khi nghiên cứu các nguyên lý cơ bản của pin và thực hiện nhiều thử nghiệm, chúng tôi nhận ra rằng chúng hỏng theo cách tương tự như cơ thể con người khi mắc 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 bệnh?".

Giáo sư Gao thực hiện việc bổ sung ion lithium bằng cách tiêm trực tiếp một muối lithium hữu cơ (lithium trifluoromethanesulfinate (LiSO₂CF₃)) vào bên trong pin mà không cần tháo rời.

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

Các thí nghiệm cho thấy việc tiêm muối lithium 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 này có nghĩa là pin vẫn giữ được 80% dung lượng sau 60.000 chu kỳ, so với con số 500–2.000 chu kỳ của pin lithium-ion hiện tại.

Một đột phá "độc nhất vô nhị" của Trung Quốc

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

Giáo sư Gao chia sẻ rằng nghiên cứu của ông, được công bố trên tạp chí Nature, sẽ mở đường cho các thế hệ pin lithium hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí và giải quyết toàn diện các vấn đề còn tồn tại với loại pin này, từ dung lượng, tuổi thọ đến vấn đề môi trường.

Thống kê cho thấy Trung Quốc hiện là nhà sản xuất pin lithium-ion lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 70% sản lượng toàn cầu. Trong đó, 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 phát triển để thay thế xe xăng với mục đích bảo vệ môi trường, nhiều người đặt câu hỏi liệu chúng có thực sự thân thiện với môi trường hay không, khi 95% pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho xe điện sẽ bị chôn lấp sau khi hết hạn sử dụng.

Hiện tại, thế hệ xe điện đầu tiên của Trung Quốc đang dần đạt đến cuối vòng đời, và ngành tái chế và xử lý pin của nước này cũng đang đối mặt với những thách thức lớn.

Theo dữ liệu từ Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Trung Quốc, hơn 580.000 tấn pin xe điện đã bị thải loại vào năm 2023. Con số này dự kiến sẽ tăng gấp 6 lần, đạt 3,5 triệu tấn mỗi năm vào năm 2030.

Đối mặt với thực tế này, Trung Quốc cần tập trung phát triển các thế hệ pin mới bền vững và lâu dài hơn, theo giáo sư Yao Ruiqi, một nhà hóa học tại Đại học Sư phạm Đông Bắc.

"Với việc áp dụng rộng rãi 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 nâng cao tính khả thi kinh tế của pin", ông chia sẻ.

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

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

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

Giáo sư Gao chia sẻ rằng nhóm nghiên cứu của ông hiện đang hợp tác với nhiều công ty pin hàng đầu, không chỉ tại Trung Quốc mà còn trên toàn thế giới, để đẩy nhanh quá trình đưa công nghệ phục hồi pin lithium-ion vào sản xuất công nghiệp, hướng tới mục tiêu thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi trong thực tế.