Khi thế giới đang thúc đẩy điện khí hóa mọi thứ, từ vật dụng đến ô tô, nhu cầu về pin hiệu suất cao, tuổi thọ dài tăng vọt. Hầu hết loại pin thương mại dựa vào chất kết dính polymer fluor hóa để giữ pin ổn định, chẳng hạn như polyvinylidene fluoride. Các vật liệu này hoạt động tốt, ổn định về mặt hóa học, chịu nhiệt và rất bền. Nhưng chúng lại đi kèm một cái giá tiềm ẩn về môi trường.
Các polymer fluor hóa được tạo ra từ các hóa chất chứa fluor khó phân hủy, giải phóng các chất gây ô nhiễm dai dẳng gọi là PFAS (chất per- và polyfluoroalkyl) trong quá trình sản xuất và thải bỏ. Khi xâm nhập vào môi trường, PFAS có thể tồn tại trong nước, đất, thậm chí cả mô người trong hàng trăm năm, vì vậy chúng có biệt danh là “hóa chất vĩnh cửu”.
Nếu quá trình chuyển đổi năng lượng sạch dựa vào các vật liệu gây ô nhiễm, làm suy thoái hệ sinh thái và tồn tại trong môi trường nhiều năm, liệu nó có thực sự bền vững? Một sự thật khó chịu là nhiều loại pin cung cấp năng lượng cho các công nghệ xanh của chúng ta nhưng chúng không xanh như chúng ta nghĩ.
Pin sạc có ba thành phần thiết yếu: hai điện cực được ngăn cách bởi chất điện phân, cho phép các nguyên tử mang điện (ion) di chuyển qua lại. Khi sạc pin, các ion di chuyển từ điện cực này sang điện cực kia, tích trữ năng lượng. Khi sử dụng pin, các nguyên tử mang điện di chuyển trở lại phía ban đầu, giải phóng năng lượng đã tích trữ, cung cấp năng lượng cho điện thoại, ô tô.
Mỗi điện cực là hỗn hợp của ba thành phần: vật liệu hoạt tính giúp lưu trữ và giải phóng năng lượng, chất phụ gia dẫn điện giúp electron di chuyển và chất kết dính giữ mọi thứ lại với nhau. Chất kết dính hoạt động như keo, giữ các hạt ở đúng vị trí và ngăn chúng hòa tan trong quá trình sử dụng. Nếu không có chất này, pin sẽ không thể giữ được điện tích sau chỉ vài lần sử dụng.
Nhiều sinh vật biển đã tiến hóa theo những cách độc đáo để bám vào các bề mặt ẩm ướt, trơn trượt. Trai, hà, giun cát, bạch tuộc tạo ra chất kết dính tự nhiên để bám vào đá, thân tàu, san hô trong nước chảy xiết, những điều kiện mà hầu hết loại keo tổng hợp đều không thể chịu được.
Đối với loài trai, bí mật nằm ở các phân tử gọi là catechol. Các phân tử này chứa một loại axit amin độc đáo trong protein kết dính của chúng, giúp chúng tạo ra các liên kết mạnh mẽ với bề mặt và cứng lại gần như ngay lập tức khi tiếp xúc với oxy.
Loại hóa chất này truyền cảm hứng cho việc tạo ra chất kết dính tổng hợp, dùng để bịt kín vết thương, sửa chữa gân, tạo ra lớp phủ bám dính vào kim loại hoặc thủy tinh dưới nước. Dựa trên ý tưởng này, tác giả nghiên cứu, Alicia M. Battaglia từ Đại học Toronto, bắt đầu nghiên cứu một phân tử liên quan gọi là gallol.
Giống như catechol ở loài trai, gallol được tảo và thực vật biển sử dụng để bám vào các bề mặt ẩm ướt. Cấu trúc hóa học của nó giống với catechol, nhưng nó chứa thêm nhóm chức năng giúp nó có khả năng kết dính và linh hoạt hơn. Nó có thể tạo ra các liên kết mạnh, bền và có thể đảo ngược, những đặc tính khiến nó trở thành chất kết dính pin tuyệt vời.
Hợp tác với Giáo sư Dwight S. Seferos tại Đại học Toronto, nhóm nghiên cứu phát triển chất kết dính polymer dựa trên gallol và kết hợp nó với kẽm, kim loại an toàn và dồi dào hơn lithium. Không giống như lithium, kẽm không dễ cháy và dễ khai thác bền vững hơn, lý tưởng cho các ứng dụng quy mô lớn.
Kết quả rất đáng chú ý. Pin kẽm gốc gallol của nhóm nghiên cứu duy trì hiệu suất năng lượng cao hơn 52% sau 8.000 chu kỳ sạc-xả so với các pin thông thường sử dụng chất kết dính fluor hóa. Về mặt thực tế, điều đó có nghĩa là thiết bị bền hơn, ít phải thay thế hơn và tác động đến môi trường nhỏ hơn.
Những phát hiện của nhóm nghiên cứu là bằng chứng cho thấy hiệu suất và tính bền vững có thể song hành cùng nhau. Nhiều người trong ngành có thể vẫn xem “xanh” và “hiệu quả” là những ưu tiên cạnh tranh, còn tính bền vững chỉ là điều được xem xét sau. Quan điểm đó là sai lầm.
Chúng ta không thể xây dựng một tương lai năng lượng sạch bằng cách sử dụng các vật liệu gây ô nhiễm. Trong một thời gian dài, ngành công nghiệp pin tập trung vào hiệu suất bằng mọi giá, ngay cả khi cái giá đó chứa cả chất thải độc hại, vật liệu khó tái chế, hoạt động khai thác không bền vững và phi đạo đức.
Thiên nhiên đã vận hành các hệ thống tự tái tạo hiệu quả trong hàng tỉ năm. Trai, sò, rong biển tạo ra các vật liệu bền chắc, dẻo dai và phân hủy sinh học. Không có chất thải và không hóa chất tồn tại vĩnh viễn. Đã đến lúc chúng ta cần chú ý hơn. Thế hệ pin tiếp theo phải bền vững ngay từ khâu thiết kế, sản xuất từ các nguồn tài nguyên tái tạo, phân hủy sinh học và tuần hoàn.
