Không ít người bất ngờ khi biết vỏ trấu lại chứa nhiều hàm lượng silica (SiO2) - nguyên liệu chế tạo vật liệu điện cực âm sử dụng cho pin sạc Li-ion. Nhận thấy tiềm năng từ nguồn phế phẩm này, nhóm nghiên cứu của PGS-TS Lê Mỹ Loan Phụng, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQG TP HCM, đã lên ý tưởng cho một dự án táo bạo.
1.000 g vỏ trấu nung có giá 50 USD
Tháng 5-2020, nhóm nghiên cứu của Phòng Thí nghiệm hóa - lý ứng dụng Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP HCM đã đề xuất và được Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VinIF) tài trợ nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu điện cực từ vỏ trấu để sản xuất thử nghiệm pin sạc Li-ion 4V dạng cúc áo (coin cell) và dạng túi (pouch cell).
Vỏ trấu sau khi thu gom sẽ được ngâm dung dịch HCl 10% trong 12 giờ, rửa lại bằng nước cất đến khi trung tính, sấy khô ở nhiệt độ 80 độ C trong vòng 8 giờ. Sau khi xử lý bên ngoài, vỏ trấu được đưa vào lò nung lần 1 ở nhiệt độ 500 độ C trong 1 giờ với điều kiện khí trơ.
PGS-TS Lê Mỹ Loan Phụng, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQG TP HCM, thành viên nhóm nghiên cứu chế tạo pin từ vỏ trấu
Tro trấu sau đó được phối trộn với kali hydroxit rắn và tiếp tục nung lần 2 ở nhiệt độ 800 độ C trong 1 giờ. Sau 2 lần nung, hỗn hợp được nghiền mịn, tiếp tục rửa nhiều lần bằng nước nóng đến khi môi trường pH đạt trung tính.
PGS-TS Lê Mỹ Loan Phụng kể 7 nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu đã lấy phòng thí nghiệm làm nhà trong rất nhiều ngày mới có thể cho ra thành phẩm cuối cùng là composite carbon silica (C/SiO2). Trung bình 1 kg vỏ trấu sẽ cho thành phẩm khoảng 350 g vật liệu C/SiO2. Trên thế giới, 1.000 g C/SiO2 đủ tiêu chuẩn dùng trong pin Li-ion có giá bán khoảng 50 USD. Trong khi đó, mỗi năm Việt Nam có khoảng 9 triệu tấn vỏ trấu bỏ đi.
Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu làm cực âm trong các loại pin trên thế giới chủ yếu là carbon graphite, được khai thác từ than đá. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu hóa thạch này vừa gây ảnh hưởng đến môi trường vừa có giá thành cao. Còn vỏ trấu chứa silica trên đế nền carbon xốp nhiều hơn carbon graphite 3 lần, giúp các ion liti dễ dàng di chuyển và đan cài trong cấu trúc để chuyển hóa thành điện năng.
Kỳ vọng ứng dụng vào thực tế
Đề tài nghiên cứu trên đã được Sở Khoa học và Công nghệ TP HCM nghiệm thu, đánh giá kết quả xuất sắc vào năm 2019. Đây được xem là những viên pin Li-ion "made in Vietnam" đầu tiên.
Pin cúc áo thường được sử dụng cho các thiết bị nhỏ gọn như máy tính, đồng hồ, máy trợ thính; còn pin dạng lớn có thể dùng cho điện thoại di động, laptop... Nhóm nghiên cứu mong muốn có thể nâng cấp sản phẩm lớn hơn, hiệu suất tốt hơn nên bắt tay nghiên cứu sản xuất pin túi với sự tài trợ của VinIF.
Vỏ trấu là phế phẩm của ngành nông nghiệp nhưng có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu điện cực âm
Sau hơn 6 năm nghiên cứu pin cúc áo và 3 năm nghiên cứu pin túi làm từ vỏ trấu, nhóm nghiên cứu đã trình làng sản phẩm trước nhiều hội đồng khoa học và được đánh giá cao. Hiện tại, nhóm vẫn không ngừng cải tiến để từng bước đưa sản phẩm "made in Việt Nam" đến tay người tiêu dùng.
Theo nhóm nghiên cứu, cho đến nay, toàn bộ pin thành phẩm đều được sản xuất tại phòng thí nghiệm của trường. Buồng chân không để chế tạo pin rất nhỏ, chỉ đủ để một người lắp ráp. Khó khăn lớn nhất hiện nay là cần có một dây chuyền chuyên nghiệp với nguồn nhân lực và điều kiện sản xuất đạt chuẩn để cung cấp số lượng pin lớn ra thị trường.
"Nếu được sản xuất theo dây chuyền với số lượng lớn, pin cúc áo làm từ vỏ trấu có thể bán với giá 8 USD/viên và pin túi là 30 USD/túi" - đại diện nhóm nghiên cứu cho hay.
PGS-TS Nguyễn Đình Quân, Trưởng Phòng Thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass Trường ĐH Bách khoa - ĐHQG TP HCM, đánh giá công trình nghiên cứu pin từ vỏ trấu hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế. Theo ông, silica dùng làm phụ gia cho điện cực pin sạc Li-ion có khả năng làm tăng dung lượng pin lên nhiều lần. Tuy nhiên, nhược điểm của silica là điện cực dễ bị giãn nở thể tích. Để khắc phục, ông Quân góp ý nhóm nghiên cứu nên sử dụng các hạt silica kích thước nano.
"Nếu sản phẩm được ứng dụng vào thực tế sẽ có ý nghĩa rất lớn với nông dân. Bởi lẽ, phế phẩm nông nghiệp có thể trở thành nguồn nguyên liệu có giá trị kinh tế cao, từ đó nông dân có động lực để tăng gia sản xuất nhiều hơn" - PGS-TS Nguyễn Đình Quân nhận xét.
