Các nhà khoa học ở Trung Quốc đã biến chất thải trong pin điện thoại đã qua sử dụng và chất thải lignin công nghiệp thành vật liệu cực dương của pin natri-ion với mật độ lưu trữ năng lượng được cải thiện, mang đến giải pháp khả thi, giá rẻ, thay thế cho pin lithium-ion truyền thống.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một vật liệu composite gọi là NiCo₂S₄/Co₉S₈@LC50, bằng cách kết hợp các kim loại thu hồi từ pin điện thoại Nokia cũ với carbon có nguồn gốc từ lignin, sản phẩm phụ được tạo ra từ ngành công nghiệp giấy và sinh khối.
Pin natri-ion đang thu hút sự chú ý như một lựa chọn rẻ hơn thay thế cho pin lithium-ion, vì natri dồi dào và dễ tìm hơn. Tuy nhiên, vật liệu cực dương của pin natri-ion vẫn gặp vấn đề về độ ổn định chu kỳ kém, tốc độ di chuyển ion hạn chế, làm giảm khả năng ứng dụng của chúng.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu từ Đại học Henan Normal và Đại học công nghệ Qilu đã phát triển thứ mà họ mô tả là chiến lược “biến chất thải thành vật liệu”, chuyển đổi cả chất thải điện tử và chất thải sinh khối công nghiệp thành vật liệu pin.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu chiết xuất và tổng hợp NiCo₂S₄ từ pin điện thoại di động đã qua sử dụng bằng quy trình thủy nhiệt. Sau đó, họ tinh chế lignin công nghiệp, kết hợp nó với tiền chất sulfide thu hồi được trước khi tiến hành xử lý kiềm, hoạt hóa và carbon hóa trong môi trường nitơ.
Các thử nghiệm cho thấy, việc thêm lignin không chỉ đơn thuần là đưa carbon vào vật liệu. Trong quá trình carbon hóa, nó còn giúp tạo ra pha thứ cấp Co₉S₈, hình thành cấu trúc sulfide kép được bao bọc bởi carbon có nguồn gốc từ lignin.
Phân tích bằng kính hiển vi và quang phổ xác nhận sự hình thành cấu trúc dạng tổ ong xốp, giúp tăng tốc độ di chuyển của ion natri và độ ổn định cấu trúc trong quá trình hoạt động của pin, qua đó cải thiện độ dẫn điện.
Thử nghiệm điện hóa cho thấy, vật liệu này cung cấp dung lượng phóng điện ban đầu là 1.062,8 mAh/g, duy trì 244,5 mAh/g sau 100 chu kỳ sạc-phóng điện. Nó cũng duy trì 207 mAh/g sau 300 chu kỳ ở 0,5 A/g. Theo phân tích trở kháng, vật liệu này cũng cho thấy khả năng dẫn điện tích và khuếch tán ion natri được cải thiện so với các mẫu thử nghiệm khác.
Nghiên cứu này nhấn mạnh các nỗ lực ngày càng tăng trong việc phát triển vật liệu pin từ nguyên liệu tái chế, trong bối cảnh ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng tìm kiếm các giải pháp thay thế có chi phí thấp hơn, bền vững hơn so với các hệ thống dựa trên lithium thông thường.
Pin cũ đã qua sử dụng luôn gây ra các thách thức về môi trường. Bản thân chúng chứa các kim loại có thể thu hồi nhưng thường bị lãng phí nếu không được tái chế đúng cách. Lignin công nghiệp cũng đối mặt với vấn đề tương tự khi phần lớn bị đốt hoặc thải bỏ.
Bằng cách kết hợp cả hai loại chất thải này thành vật liệu cho pin natri-ion, các nhà nghiên cứu tin rằng phương pháp này có thể hỗ trợ sản xuất pin thân thiện với môi trường, dùng cho thiết bị điện tử, xe điện, hệ thống lưu trữ quy mô lưới điện trong tương lai. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Biochar X.
