Khi xe điện phát triển mạnh mẽ ở nhiều nơi trên thế giới, các bộ pin xe điện đã qua sử dụng thải ra ngày càng nhiều. Lithium khai thác khá đắt đỏ, việc tinh chế cũng phức tạp. Một nhóm kỹ sư tại Đại học Rice, Hoa Kỳ nghĩ ra phương pháp sạch hơn để thu hồi lithium từ pin thải.
Hầu hết hoạt động tái chế pin lithium hiện nay dựa vào nhiệt hoặc phản ứng hóa học mạnh, thường tạo ra lithium carbonate, sau đó tiếp tục chuyển đổi thành lithium hydroxide trước khi các nhà sản xuất có thể sử dụng lại.
Chiến lược của các kỹ sư tại Đại học Rice là sạc lại vật liệu cực âm để hút các ion lithium vào nước, tại đó chúng ngay lập tức sẽ kết hợp với hydroxide, tạo thành lithium hydroxide có thể sẵn sàng dùng làm pin. Cách này bỏ qua quá trình nấu chảy, axit mạnh và tinh chế nhiều bước
Hệ thống này dựa trên nguyên lý hoạt động của một pin đang sử dụng. Khi dòng điện chạy qua, các ion lithium sẽ rời khỏi cực âm. Lò phản ứng của Đại học Rice áp dụng phản ứng đó vào chất thải pin như lithium sắt phosphate.
Một màng mỏng trao đổi cation, dẫn các ion lithium vào dòng nước đang chuyển động. Tại điện cực đối diện, nước tách ra để tạo ra hydroxide. Lithium và hydroxide gặp nhau trong dòng nước, tạo thành lithium hydroxide có độ tinh khiết cao, hoàn toàn không cần thêm hóa chất.
Nghiên cứu này giới thiệu lò phản ứng màng-điện cực không khe hở, chỉ sử dụng điện, nước và khối đen. Ở một số chế độ nhất định, quy trình chỉ tiêu thụ 103 kilojoule năng lượng cho mỗi kilogam chất thải, thấp hơn khoảng một bậc so với phương pháp ngâm axit thông thường.
Nhóm nghiên cứu không dừng lại ở quy mô thử nghiệm. Thiết bị có kích thước 20 cm2 của họ đã chạy thử nghiệm độ bền trong 1.000 giờ và xử lý 57 gram khối đen công nghiệp từ TotalEnergies.
Việc sản xuất trực tiếp lithium hydroxide có độ tinh khiết cao, giúp rút ngắn thời gian sản xuất pin mới. Điều đó có nghĩa là ít bước xử lý hơn, giảm thiểu chất thải và chuỗi cung ứng linh hoạt hơn.
Lò phản ứng này sản xuất lithium hydroxide có độ tinh khiết trên 99% và duy trì mức tiêu thụ năng lượng thấp, dao động từ 103 đến 536 kilojoule trên một kilogam, tùy thuộc vào chế độ.
Khả năng thu hồi lithium trung bình đạt gần 90% trong suốt 1.000 giờ hoạt động. Phương pháp này thích ứng tốt với nhiều loại hóa chất, bao gồm lithium sắt phosphate, lithium mangan oxide và nhiều hỗn hợp niken-mangan-coban khác nhau.
Các bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu là mở rộng quy mô lên diện tích lớn hơn, tăng cường tải khối đen và thiết kế màng kỵ nước có tính chọn lọc hơn. Công trình nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Joule.
