Xây dựng quy trình pilot vật liệu silica/carbon từ vỏ trấu và ứng dụng lắp ráp chế tạo pin sạc Li-ion là sản phẩm của PGS.TS Trần Văn Mẫn và cộng sự Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TPHCM thực hiện.

Tổng hợp vật liệu từ vỏ trấu

PGS.TS Trần Văn Mẫn cho biết, pin sạc Li-ion (lithium-ion battery) là thiết bị lưu trữ hiệu quả nhất trong số các thiết bị lưu trữ năng lượng hiện có trên thị trường. Ưu điểm của nó là có mật độ năng lượng lớn (100 - 200 Wh/kg), dải thế hoạt động rộng (3 - 4V), độ tự phóng thấp (< 1%/năm) và độ bền phóng sạc cao (~1.000 chu kì).

Đây là lý do pin sạc Li-ion là nguồn điện chủ yếu trong các thiết bị điện tử di động (máy tính, điện thoại thông minh…). Pin sạc Li-ion còn được hướng đến là nguồn điện chủ yếu cho các loại xe điện hay các loại xe sử dụng động cơ xăng lai điện trong tương lai.

Để giải quyết các vấn đề liên quan đến sự thay đổi thể tích của Si trong quá trình phóng sạc, vật liệu nano-SiO2 (Silic dioxit) được xem là rất triển vọng để thay thế Si ứng dụng trong cực âm của pin sạc Li-ion với dung lượng lý thuyết đạt 1961 mAh/g. Tuy nhiên, vật liệu SiO2 thương mại hiện nay rất khó có thể ứng dụng trong pin do độ dẫn rất kém.

Vỏ trấu là nguyên liệu giàu silica, rất lý tưởng để tổng hợp vật liệu cho pin sạc. Quá trình tổng hợp vật liệu SiO2 từ vỏ trấu sử dụng các tác nhân hóa học để xử lý bề mặt tro trấu được xem là giải pháp hiệu quả nhất để giảm chi phí tổng hợp và dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất.

“Tổng hợp vật liệu điện cực âm từ vỏ trấu tại Việt Nam là hoàn toàn khả thi, điều này mở rộng thị trường đầy tiềm năng cho vỏ trấu và mang lại lợi nhuận lớn cho người nông dân”, PGS.TS Trần Văn Mẫn cho biết.

Nhóm nghiên cứu sử dụng hydroxit kim loại (KOH) làm tác nhân xử lý bề mặt tro trấu sau khi nung để thực hiện giai đoạn tạo composite SiO2/C. KOH làm tăng độ xốp cho vật liệu khung nền Carbon dựa trên các phản ứng giữa C và KOH ở các khoảng nhiệt độ nhất định để tạo ra các lỗ xốp trong cấu trúc vật liệu.

Nhóm sử dụng các hydroxit kim loại, cụ thể là KOH để tạo các lỗ xốp trên bề mặt tro trấu (thành phần chính là carbon và silica). Vật liệu sau khi tổng hợp sẽ được đánh giá các tính chất hóa lý và điện hóa ứng dụng cụ thể trong pin hoàn chỉnh Li-ion.

Kết quả, vật liệu composite SiO2/C được tổng hợp thành công từ vỏ trấu với quy trình tổng hợp đề xuất đơn giản dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất. Các kết quả phân tích hình thái, cấu trúc vật liệu cho thấy có dạng vô định hình, bao gồm các hạt có kích thước khoảng 200nm, có xu hướng kết tụ lại tạo thành các hạt có độ xốp cao, quá trình xử lý với KOH làm cho vật liệu có nhiều lỗ xốp kích thước từ 3 - 5µm. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo được lò nung khí trơ phục vụ sản xuất pilot vật liệu SiO2/C từ vỏ trấu kèm bản thiết kế lò nung.

Lắp ráp thành công 100 pin cúc áo hoàn chỉnh

Theo PGS.TS Trần Văn Mẫn, vật liệu SiO2/C được đánh giá các tính chất điện hóa và hóa lý để tìm ra cơ chế phóng thích/đan cài ion Li+. Các phép đánh giá về tổng trở điện hóa, độ bền oxy hóa khử, SEM cũng đã được thực hiện nhằm cho kết quả đầy đủ nhất. Ngoài ra, các loại phụ gia cũng đã được nghiên cứu để tăng hiệu quả hoạt động của điện giải.

Quy trình lắp ráp pin cúc áo được khảo sát cho từng loại điện cực riêng, lựa chọn các thông số phù hợp để lắp ráp pin hoàn chỉnh hoạt động tốt. Nhóm đã lắp ráp thành công 100 pin cúc áo hoàn chỉnh sử dụng các loại vật liệu điện cực dương là NMC622, LNMO và LFP, được đánh giá dung lượng, hiệu suất và độ bền phóng sạc.

Mô hình pin túi cũng đã được nghiên cứu lắp ráp để ứng dụng vào sản phẩm mắt kính thông minh. Kết quả cho thấy pin túi hoàn chỉnh sử dụng cực dương là NMC622 có thể sử dụng liên tục trong vòng 80 phút.

Các kết quả của đề tài cho thấy, vật liệu SiO2/C tổng hợp từ vỏ trấu có khả năng ứng dụng tốt, các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể phát triển quy trình lắp ráp pin túi sử dụng các kết quả pin hoàn chỉnh đã khảo sát trên mô hình pin cúc áo, từ đó ứng dụng trong các sản phẩm cụ thể.

Hiện nay, vấn đề chế tạo vật liệu, lắp ráp và đánh giá pin sạc Li-ion vẫn còn mới mẻ ở Việt Nam. Việc nghiên cứu và sản xuất pilot sản phẩm pin sạc sử dụng nguyên liệu tự tổng hợp sẽ là tiền đề tốt để xây dựng và phát triển thị trường pin sạc, từ đó thúc đẩy sự phát triển của các lĩnh vực khác như ô tô – xe máy điện, điện – điện tử, điện thoại thông minh, lưu trữ năng lượng…