Tiềm năng chế tạo pin xe điện từ cây gỗ

Khoảng 8 năm trước, một nhà sản xuất giấy lớn ở Phần Lan nhận ra rằng thế giới đang thay đổi. Sự trỗi dậy của phương tiện kỹ thuật số, sự sụt giảm trong in ấn văn phòng cho thấy nhu cầu tiêu thụ giấy ngày càng sụt giảm. 

Điều này khiến Stora Enso, một công ty tự nhận mình là "một trong những công ty tư nhân sở hữu nhiều rừng nhất thế giới" nảy ra một phương án kinh doanh mới, đó là đầu tư vào lĩnh vực pin xe điện. Công ty đã thuê các kỹ sư để xem xét khả năng sử dụng lignin, một loại polymer được tìm thấy trong cây cối.

Ông Lauri Lehtonen, lãnh đạo Lignode - bộ phận nghiên cứu pin từ lignin của Stora Enso cho biết: " Lignin là chất keo trong cây giúp kết dính các sợi cellulose lại với nhau và cũng làm cho thân cây cứng hơn. Tùy thuộc vào từng loại cây, lignin chiếm khoảng 30% trong thành phần cây trong khi cellulose chiếm phần còn lại". 

Lignin là một loại polymer có chứa carbon, nguyên tố quan trọng trong anode của các cục pin. Anode của pin lithium sử dụng trong điện thoại chủ yếu làm từ than chì - một dạng thù hình của carbon.

Các kỹ sư của Stora Enso đã quyết định rằng họ có thể chiết xuất lignin từ bột giấy thải đã được sản xuất tại một số cơ sở và xử lý lignin đó để tạo ra vật liệu carbon cho anode của pin. Công ty đang hợp tác với công ty Thụy Điển Northvolt và có kế hoạch sản xuất pin vào đầu năm 2025.

Với việc ngày càng có nhiều người mua ô tô điện và lưu trữ năng lượng tại nhà, nhu cầu toàn cầu về pin dự kiến ​​sẽ tăng mạnh trong những năm tới. 

Vào năm 2015, cần thêm vài trăm gigawatt giờ (GWh) mỗi năm cho các kho dự trữ pin của thế giới nhưng điều này sẽ tăng vọt lên vài nghìn GWh bổ sung cần thiết hàng năm vào năm 2030 khi thế giới rời xa nhiên liệu hóa thạch, theo công ty tư vấn quản lý McKinsey. Vấn đề là pin lithium ion mà chúng ta sử dụng ngày nay phần lớn phụ thuộc vào các quy trình công nghiệp và khai thác mỏ gây hại cho môi trường. Ngoài ra, một số vật liệu làm pin này độc hại và khó tái chế. 

Ví dụ, việc tạo ra than chì tổng hợp liên quan đến việc nung nóng carbon đến nhiệt độ lên tới 3.000 độ C trong nhiều tuần liền. Theo tư vấn Wood Mackenzie, năng lượng cho việc này thường đến từ các nhà máy nhiệt điện than ở Trung Quốc. Việc tìm kiếm các vật liệu pin bền vững đang được phổ biến rộng rãi hơn. Một số người cho rằng có thể tìm ra giải pháp từ cây cối. 

Nói chung, tất cả các loại pin đều cần có cathode và một anode - lần lượt là cực dương và cực âm của pin. Khi pin hoạt động, các phần tử mang điện - gọi là ion - sẽ di chuyển qua hai cực này. 

Jill Pestana, một nhà khoa học và kỹ sư về pin có trụ sở tại California (Mỹ) giải thích: "Khi pin được sạc, chẳng hạn như các ion lithium hoặc natri sẽ chuyển từ cực âm sang cực dương, nơi chúng ổn định giống như ô tô trong bãi đỗ xe nhiều tầng. Đặc điểm chính mà bạn mong muốn ở vật liệu tạo nên cấu trúc ‘bãi đỗ xe’ này là việc chúng dễ dàng nhận vào và phóng ra lithium và natri, cũng như không bị vỡ vụn".

Khi pin được sử dụng, các ion sẽ di chuyển trở lại về hướng cathode. Song song với quá trình này, electron sẽ di chuyển trên dây điện, đem tới năng lượng cho phương tiện.

Theo bà Pestana, than chì là loại vật liệu tuyệt vời. Do đó, các vật liệu thay thế như cấu trúc carbon chế tạo từ lignin cần phải chứng tỏ được hiệu quả. 

Có nhiều công ty đang khám phá tiềm năng của lignin trong việc phát triển pin, chẳng hạn như Bright Day Graphene ở Thụy Điển, công ty sản xuất graphene - một dạng carbon khác từ lignin.

Ông Lehtonen từ chối tiết lộ quy trình chi tiết để biến lignin thành cấu trúc carbon cứng ngoại trừ tiết lộ các nhà khoa học có dùng nhiệt, nhưng không cao như cách tổng hợp than chì thông thường. Một trong những đặc điểm quan trọng của cấu trúc carbon thu được là tính vô định hình. "Điều này thực tế giúp các ion ra vào một cách linh động hơn", ông Lehtonen nói.

Stora Enso tuyên bố rằng điều này sẽ giúp họ tạo ra pin lithium ion hoặc natri ion có thể được sạc đầy trong ít nhất là 8 phút. Sạc nhanh là mục tiêu chính của các nhà phát triển pin xe điện.

Giáo sư Wyatt Tenhaeff tại Đại học Rochester (Mỹ) cũng đã chế tạo thành công anode từ lignin trong phòng thí nghiệm. Ông nói lignin "thực sự tuyệt vời" bởi vì nó là sản phẩm phụ có thể có nhiều công dụng tiềm năng. Trong các thí nghiệm, ông và các đồng nghiệp phát hiện ra rằng họ có thể sử dụng lignin để tạo ra anode từ lignin, họ không cần phải sử dụng các vật liệu kết dính hay vật liệu thu điện. Dù vậy, ông tỏ ra nghi ngờ về khả năng vật liệu từ lignin có thể thay thế than chì về mặt thương mại.

"Tôi chỉ không nghĩ rằng nó sẽ là một bước thay đổi đủ lớn về mặt chi phí hoặc hiệu suất để thay thế than chì", ông Wyatt Tenhaeff nói.

Ngoài ra, một vấn đề khác với việc sử dụng lignin là yêu cầu bảo đảm các khu rừng cung cấp gỗ được khai thác một cách bền vững. Chelsea Baldino, một nhà nghiên cứu tại Hội đồng Quốc tế về Giao thông sạch, nói rằng miễn là lignin được sử dụng để sản xuất anode được chiết xuất dưới dạng sản phẩm phụ từ quy trình sản xuất giấy, thì những cây khác sẽ không bị chặt để sản xuất pin.

Người phát ngôn của Stora Enso xác nhận rằng, hiện tại, tất cả lignin mà công ty sử dụng là "dòng phụ của quy trình nghiền bột" và việc sử dụng nó không làm tăng số lượng cây bị đốn hạ hoặc khối lượng gỗ được sử dụng trong sản xuất bột giấy.

Tuy nhiên, bất kỳ ai đang tìm cách tạo ra anode từ lignin đều phải đảm bảo rằng ngành lâm nghiệp mà từ đó lignin được tạo ra cũng phải bền vững. Pestana cho biết thêm: "Nếu ngành công nghiệp bột giấy không bền vững, thì bản thân vật liệu này không phải là vật liệu có nguồn gốc bền vững". 

Theo báo cáo thường niên năm 2021 của Stora Enso, công ty nói rằng "biết rõ nguồn gốc của tất cả các loại gỗ đã sử dụng và 100% đều đến từ các nguồn bền vững".

Theo nghiên cứu của một nhóm khoa học Italy công bố vào tháng 4.2022, ngoài anode, lignin cũng có thể được sử dụng để chế tạo chất điện phân. Chất điện phân là chất nằm giữa cathode và anode, giúp ion có thể di chuyển giữa hai điện cực. 

Giáo sư Gianmarco Griffini tại Đại học Bách khoa Milan (Italy) cho biết chất điện phân có thể được sản xuất từ dầu mỏ. Dù vậy, lignin có thể trở thành vật liệu thay thế bền vững hơn.

Trước khi sử dụng lignin làm chất điện phân, nhóm nghiên cứu đã thử dùng vật liệu này để chế tạo vật liệu dùng trong pin Mặt trời. Song hiệu quả không cao vì lignin có màu hơi nâu khiến chúng hấp thụ một phần ánh sáng. Trong pin, điều này không là vấn đề.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một polymer dạng gel để làm chất điện phân cho pin kali. "Kết quả khá tốt", ông Griffini chia sẻ.