Sasha
Writer
Là chủ sở hữu của một chiếc laptop 3 năm tuổi, tôi cảm thấy tuổi thọ hữu hạn của pin lithium rất rõ ràng. Đây vẫn là một cỗ máy tuyệt vời, nhưng chi phí thay pin là một vấn đề. Giá mà có cách nào đó chỉ cần cắm điện qua đêm và pin sẽ được trẻ hóa trở lại.
Nghe có vẻ như khoa học viễn tưởng, nhưng theo trang Artechnica, một nhóm các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã xác định được một loại hóa chất có thể cung cấp lithium mới cho những cục pin đã sử dụng nhiều, giúp kéo dài tuổi thọ của chúng. Thật không may, để pin hoạt động, pin phải được chế tạo với mục đích làm mới này. Thêm vào đó, pin chưa được thử nghiệm với loại hóa chất lithium thường được sử dụng trong thiết bị điện tử tiêu dùng.
Tìm đúng loại hóa chất
Sự suy giảm hiệu suất của pin phần lớn là do các thành phần chính của pin dần không còn được sử dụng nữa. Qua các chu kỳ sạc xả lặp đi lặp lại, các mảnh điện cực bị phân mảnh và mất tiếp xúc với các dây dẫn thu thập dòng điện, trong khi chất lithium có thể kết thúc trong các phức hợp bị cô lập về điện. Không có cách rõ ràng nào để huy động lại các vật liệu bị mất này, do đó dung lượng của pin giảm xuống. Cuối cùng, cách duy nhất để có thêm dung lượng là tái chế các bộ phận bên trong thành một loại pin hoàn toàn mới.
Có khả năng có một lựa chọn khác: tiêm một số vật liệu mới vào chính pin. Mặc dù có giới hạn vật lý về lượng vật liệu bạn có thể nhồi nhét vào không gian vật lý bên trong pin, nhưng điều này có khả năng kéo dài tuổi thọ hữu ích của pin và tận dụng nhiều hơn chi phí và năng lượng cần thiết cho quá trình sản xuất.
Tuy nhiên, đó không phải là mục tiêu mà nhóm nghiên cứu gần đây đang cố gắng thực hiện. Thay vào đó, hầu hết các bài báo mới mô tả công trình của các nhà nghiên cứu đều tập trung vào một vấn đề liên quan: đưa lithium vào pin trong quá trình sản xuất. Tình cờ là phương pháp mà họ đang phát triển sẽ có hiệu quả đối với cả quá trình sản xuất và tái tạo.
Trong các quy trình sản xuất hiện tại, lithium thường được đưa vào một trong các điện cực, giúp pin sẵn sàng sử dụng. Tuy nhiên, có một số vật liệu điện cực có khả năng lưu trữ nhiều lithium nhưng không dễ để nạp trước khi sản xuất. Vì vậy, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sản xuất pin, sau đó tìm cách đưa lithium vào sau đó.
Vì vậy, họ bắt đầu tìm kiếm một hợp chất lithium phù hợp với danh sách rất dài các đặc tính khá cụ thể. Một là nó phải trải qua các phản ứng giải phóng lithium trong phạm vi điện áp thường được sử dụng bởi các loại pin trưởng thành để tất cả cuối cùng sẽ phản ứng. Phản ứng cũng phải không thể đảo ngược để ngăn chặn các chu kỳ phản ứng liên tục giữa lithium và phần còn lại của hóa chất đưa nó đến đó. Những phần còn lại của hóa chất đó cũng phải dễ dàng lấy ra khỏi pin. Cuối cùng, hóa chất phải hòa tan trong chất điện phân của pin và ổn định khi tiếp xúc với không khí và nhiệt độ vừa phải để có thể sử dụng trong sản xuất hiện có.
Phân phối lithium
Hóa chất mà họ đưa ra là LiSO2CF3. Dưới điện áp, hóa chất sẽ mất cả lithium và một electron, để lại một hóa chất không ổn định phân hủy thành SO2 và hỗn hợp HCF3 và C2F6. Tất cả các sản phẩm đó đều là khí ở nhiệt độ phòng và sẽ chỉ sủi bọt ra khỏi chất điện phân nếu có không gian cho chúng làm như vậy.
Để thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một loại pin lithium không chứa lithium. Sau đó, sử dụng chất điện phân có LiSO2CF3 hòa tan, họ đã nạp đầy một điện cực bằng các ion lithium bằng cách áp dụng điện áp, rút hết các khí hình thành trong quá trình này. Khi đã nạp đầy, họ có thể bịt kín pin, mong đợi pin sẽ tuần hoàn lithium như bình thường.
Trong quá trình thử nghiệm, họ sử dụng một số vật liệu điện cực khác thường, chẳng hạn như crom oxit (Cr8O21) và một loại polyme hữu cơ (polyacrylonitrile lưu huỳnh). Cả hai loại này đều có lợi thế đáng kể về trọng lượng so với các vật liệu thông thường được sử dụng trong pin ngày nay, mặc dù pin thu được thường kéo dài chưa đến 500 chu kỳ trước khi giảm xuống còn 80 phần trăm dung lượng ban đầu.
Nhưng thí nghiệm nổi bật đã diễn ra khi họ sử dụng LiSO2CF3 để trẻ hóa một loại pin đã được sản xuất bình thường nhưng đã mất dung lượng do sử dụng nhiều. Xử lý một cục pin lithium-iron phosphate đã mất 15% dung lượng ban đầu đã khôi phục lại gần như toàn bộ dung lượng đã mất, cho phép nó giữ lại hơn 99% điện tích ban đầu. Họ cũng chạy một cục pin trong nhiều chu kỳ lặp lại với quá trình trẻ hóa sau mỗi vài nghìn chu kỳ. Chỉ sau chưa đầy 12.000 chu kỳ, nó vẫn có thể được khôi phục lại 96% dung lượng ban đầu.
Trước khi bạn quá phấn khích, có một vài điều đáng lưu ý về pin lithium-sắt phosphate. Đầu tiên là, so với khả năng sạc của chúng, chúng hơi nặng, vì vậy chúng có xu hướng được sử dụng trong các loại pin lớn, cố định như pin trong hệ thống lưu trữ quy mô lưới điện. Chúng cũng có tuổi thọ cao khi tự sạc; với sự quản lý cẩn thận, chúng có thể trải qua hơn 8.000 chu kỳ trước khi giảm xuống còn 80% dung lượng ban đầu. Không rõ liệu quá trình trẻ hóa tương tự có thể xảy ra trong các thành phần hóa học của pin thường được sử dụng cho các loại thiết bị mà hầu hết chúng ta sở hữu hay không.
Lưu ý cuối cùng là pin cần được sửa đổi để có thể bơm chất điện phân mới vào và loại bỏ các khí thải ra do quá trình phân hủy LiSO2CF3. Sẽ an toàn nhất nếu loại quyền truy cập này được tích hợp vào pin ngay từ đầu, thay vì cung cấp bằng cách sửa đổi sau này, như đã thực hiện ở đây. Và đường ống cần thiết sẽ làm giảm một chút dung lượng của pin trên mỗi thể tích nếu có.
Nói như vậy, phương pháp xử lý được trình bày ở đây sẽ phục hồi ngay cả một cục pin được quản lý tốt gần với dung lượng ban đầu của nó. Và nó sẽ khôi phục phần lớn dung lượng của thứ gì đó chưa được quản lý cẩn thận. Và điều đó sẽ cho phép chúng ta tận dụng được nhiều hơn chi phí ban đầu để sản xuất pin. Nghĩa là nó có thể hợp lý đối với những cục pin được dành cho một cơ sở lưu trữ lớn, nơi có khả năng xử lý nhiều cục pin cùng một lúc.
Nghe có vẻ như khoa học viễn tưởng, nhưng theo trang Artechnica, một nhóm các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã xác định được một loại hóa chất có thể cung cấp lithium mới cho những cục pin đã sử dụng nhiều, giúp kéo dài tuổi thọ của chúng. Thật không may, để pin hoạt động, pin phải được chế tạo với mục đích làm mới này. Thêm vào đó, pin chưa được thử nghiệm với loại hóa chất lithium thường được sử dụng trong thiết bị điện tử tiêu dùng.
Tìm đúng loại hóa chất
Sự suy giảm hiệu suất của pin phần lớn là do các thành phần chính của pin dần không còn được sử dụng nữa. Qua các chu kỳ sạc xả lặp đi lặp lại, các mảnh điện cực bị phân mảnh và mất tiếp xúc với các dây dẫn thu thập dòng điện, trong khi chất lithium có thể kết thúc trong các phức hợp bị cô lập về điện. Không có cách rõ ràng nào để huy động lại các vật liệu bị mất này, do đó dung lượng của pin giảm xuống. Cuối cùng, cách duy nhất để có thêm dung lượng là tái chế các bộ phận bên trong thành một loại pin hoàn toàn mới.
Có khả năng có một lựa chọn khác: tiêm một số vật liệu mới vào chính pin. Mặc dù có giới hạn vật lý về lượng vật liệu bạn có thể nhồi nhét vào không gian vật lý bên trong pin, nhưng điều này có khả năng kéo dài tuổi thọ hữu ích của pin và tận dụng nhiều hơn chi phí và năng lượng cần thiết cho quá trình sản xuất.
Tuy nhiên, đó không phải là mục tiêu mà nhóm nghiên cứu gần đây đang cố gắng thực hiện. Thay vào đó, hầu hết các bài báo mới mô tả công trình của các nhà nghiên cứu đều tập trung vào một vấn đề liên quan: đưa lithium vào pin trong quá trình sản xuất. Tình cờ là phương pháp mà họ đang phát triển sẽ có hiệu quả đối với cả quá trình sản xuất và tái tạo.
Trong các quy trình sản xuất hiện tại, lithium thường được đưa vào một trong các điện cực, giúp pin sẵn sàng sử dụng. Tuy nhiên, có một số vật liệu điện cực có khả năng lưu trữ nhiều lithium nhưng không dễ để nạp trước khi sản xuất. Vì vậy, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sản xuất pin, sau đó tìm cách đưa lithium vào sau đó.
Vì vậy, họ bắt đầu tìm kiếm một hợp chất lithium phù hợp với danh sách rất dài các đặc tính khá cụ thể. Một là nó phải trải qua các phản ứng giải phóng lithium trong phạm vi điện áp thường được sử dụng bởi các loại pin trưởng thành để tất cả cuối cùng sẽ phản ứng. Phản ứng cũng phải không thể đảo ngược để ngăn chặn các chu kỳ phản ứng liên tục giữa lithium và phần còn lại của hóa chất đưa nó đến đó. Những phần còn lại của hóa chất đó cũng phải dễ dàng lấy ra khỏi pin. Cuối cùng, hóa chất phải hòa tan trong chất điện phân của pin và ổn định khi tiếp xúc với không khí và nhiệt độ vừa phải để có thể sử dụng trong sản xuất hiện có.
Phân phối lithium
Hóa chất mà họ đưa ra là LiSO2CF3. Dưới điện áp, hóa chất sẽ mất cả lithium và một electron, để lại một hóa chất không ổn định phân hủy thành SO2 và hỗn hợp HCF3 và C2F6. Tất cả các sản phẩm đó đều là khí ở nhiệt độ phòng và sẽ chỉ sủi bọt ra khỏi chất điện phân nếu có không gian cho chúng làm như vậy.
Để thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một loại pin lithium không chứa lithium. Sau đó, sử dụng chất điện phân có LiSO2CF3 hòa tan, họ đã nạp đầy một điện cực bằng các ion lithium bằng cách áp dụng điện áp, rút hết các khí hình thành trong quá trình này. Khi đã nạp đầy, họ có thể bịt kín pin, mong đợi pin sẽ tuần hoàn lithium như bình thường.
Trong quá trình thử nghiệm, họ sử dụng một số vật liệu điện cực khác thường, chẳng hạn như crom oxit (Cr8O21) và một loại polyme hữu cơ (polyacrylonitrile lưu huỳnh). Cả hai loại này đều có lợi thế đáng kể về trọng lượng so với các vật liệu thông thường được sử dụng trong pin ngày nay, mặc dù pin thu được thường kéo dài chưa đến 500 chu kỳ trước khi giảm xuống còn 80 phần trăm dung lượng ban đầu.
Nhưng thí nghiệm nổi bật đã diễn ra khi họ sử dụng LiSO2CF3 để trẻ hóa một loại pin đã được sản xuất bình thường nhưng đã mất dung lượng do sử dụng nhiều. Xử lý một cục pin lithium-iron phosphate đã mất 15% dung lượng ban đầu đã khôi phục lại gần như toàn bộ dung lượng đã mất, cho phép nó giữ lại hơn 99% điện tích ban đầu. Họ cũng chạy một cục pin trong nhiều chu kỳ lặp lại với quá trình trẻ hóa sau mỗi vài nghìn chu kỳ. Chỉ sau chưa đầy 12.000 chu kỳ, nó vẫn có thể được khôi phục lại 96% dung lượng ban đầu.
Trước khi bạn quá phấn khích, có một vài điều đáng lưu ý về pin lithium-sắt phosphate. Đầu tiên là, so với khả năng sạc của chúng, chúng hơi nặng, vì vậy chúng có xu hướng được sử dụng trong các loại pin lớn, cố định như pin trong hệ thống lưu trữ quy mô lưới điện. Chúng cũng có tuổi thọ cao khi tự sạc; với sự quản lý cẩn thận, chúng có thể trải qua hơn 8.000 chu kỳ trước khi giảm xuống còn 80% dung lượng ban đầu. Không rõ liệu quá trình trẻ hóa tương tự có thể xảy ra trong các thành phần hóa học của pin thường được sử dụng cho các loại thiết bị mà hầu hết chúng ta sở hữu hay không.
Lưu ý cuối cùng là pin cần được sửa đổi để có thể bơm chất điện phân mới vào và loại bỏ các khí thải ra do quá trình phân hủy LiSO2CF3. Sẽ an toàn nhất nếu loại quyền truy cập này được tích hợp vào pin ngay từ đầu, thay vì cung cấp bằng cách sửa đổi sau này, như đã thực hiện ở đây. Và đường ống cần thiết sẽ làm giảm một chút dung lượng của pin trên mỗi thể tích nếu có.
Nói như vậy, phương pháp xử lý được trình bày ở đây sẽ phục hồi ngay cả một cục pin được quản lý tốt gần với dung lượng ban đầu của nó. Và nó sẽ khôi phục phần lớn dung lượng của thứ gì đó chưa được quản lý cẩn thận. Và điều đó sẽ cho phép chúng ta tận dụng được nhiều hơn chi phí ban đầu để sản xuất pin. Nghĩa là nó có thể hợp lý đối với những cục pin được dành cho một cơ sở lưu trữ lớn, nơi có khả năng xử lý nhiều cục pin cùng một lúc.
