Pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho nhiều thứ, từ thiết bị điện tử, xe điện đến lưu trữ năng lượng. Hầu như các loại xe điện (EV) trên thế giới đều sử dụng pin lithium-ion. Tuy nhiên, các khoáng chất quan trọng giúp chúng hoạt động, như lithium, niken, coban, mangan, than chì, vẫn còn khan hiếm và ít được tái chế.
Để giải quyết điểm nghẽn chuỗi cung ứng đó, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) Hoa Kỳ, thử nghiệm hệ thống chụp cắt lớp vi tính nano tia X (nano-CT) độ phân giải cao, có thể nhìn vào bên trong các ô pin đã cạn kiệt, tìm các lỗi tiềm ẩn và hướng dẫn kỹ thuật “tái chế trực tiếp” mới được thiết kế để tân trang thay vì xây dựng lại cực âm.
Máy quét quy mô phòng thí nghiệm đặt tại khuôn viên NREL ở Golden, Colorado, có khả năng phân giải các đặc điểm xuống đến 50 nanomet. Vì phương pháp này không gây phá hủy nên các nhà khoa học có thể theo dõi tuổi của từng ô pin theo thời gian thực, các thay đổi cấu trúc tương quan với tổn thất hiệu suất và vẫn vật liệu còn nguyên vẹn cho các thử nghiệm tiếp theo.
Các lần quét ban đầu lật ngược một giả định phổ biến. Ngay cả khi các cực âm cũ vẫn giữ gần như cùng dung lượng năng lượng như vật liệu nguyên sơ, nhưng khả năng tiếp nhận nhanh điện tích của chúng giảm mạnh. Các lát cắt nano-CT cho biết lý do. Chu kỳ lặp lại phá vỡ các hạt giàu niken bên trong lớp cực âm, tạo ra mạng lưới các vết nứt nhỏ, ngăn các ion lithium chảy tự do.
Sử dụng hộp công cụ phân tích cấu trúc vi mô của NREL, các nhà nghiên cứu lập bản đồ các vết nứt đó ở độ sâu khác nhau của các ô pin, được điều khiển thông qua các chu kỳ nhiệm vụ thực tế theo chương trình Văn phòng công nghệ xe của Bộ năng lượng Hoa Kỳ. Kết quả là bức tranh định lượng nhất về vị trí, cách thức, mức độ tích tụ vết nứt trong suốt thời gian sử dụng của pin.
Với các điểm hỏng hóc được xác định, dự án hiện chuyển sang sửa chữa. Thay vì hòa tan các điện cực đã qua sử dụng thành các hóa chất cơ bản, một bước tốn kém và tiêu tốn năng lượng trong quá trình tái chế thông thường, nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm các phương pháp xử lý cơ học nhẹ nhàng hơn, có thể kết hợp các hạt bị nứt với nhau hoặc chỉ thay thế phần bị hỏng.
Thành công này sẽ cắt giảm thời gian xử lý và bảo toàn cấu trúc tinh thể được điều chỉnh chính xác, giúp các cực âm có mật độ năng lượng cao. Nó cũng sẽ giữ nhiều kim loại có giá trị hơn bên trong Hoa Kỳ và kéo dài thời gian sử dụng của chúng, giảm bớt phụ thuộc vào các thị trường mà Trung Quốc hiện đang xử lý 60 - 90% sản lượng tinh chế lithium, niken và coban toàn cầu.
Các nhà nghiên cứu có kế hoạch mở rộng nghiên cứu sang các hóa chất khác có trong dòng chất thải, tinh chỉnh các công thức tái chế trực tiếp để mỗi loại pin khi rời khỏi nhà máy đều có tích hợp sẵn vòng đời thứ hai. Họ cho rằng, trong bất kỳ chiến lược tái chế hiệu quả nào, nếu không có cái nhìn rõ ràng về các khiếm khuyết ở cấp độ nano, các đơn vị tái chế không thể quyết định khi nào nên tân trang, xử lý lại hoặc loại bỏ.
