Nghiên cứu được PGS.TS Lê Mỹ Loan Phụng, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP HCM đứng đầu (APCLab) cùng cộng sự thực hiện từ năm 2020.
Chị cho biết, vỏ trấu chứa hàm lượng silica (SiO2) trung bình khoảng 10,6%. Đây là thành phần quan trọng có thể sử dụng để chế tạo pin sạc Li-ion. Nhóm 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). Pin cúc áo được ứng dụng cho đồng hồ, máy đo nhịp tim, máy tính cá nhân và pin túi cho điện thoại, các thiết bị điện nhỏ gọn.
TS Phụng làm việc trong buồng chân không, trong quy trình lắp ráp pin cúc áo. Ảnh: NVCC
Nhóm nghiên cứu lấy nguồn vỏ trấu ở huyện Tân Trụ (Long An) đem rửa sạch và sấy khô rồi đưa vào nung nhiệt trong một giờ ở điều kiện khí trơ, nghiền mịn thành tro trấu và phối trộn với Kali Hydroxit (KOH) rắn. Hỗn hợp này tiếp tục đem nung trong điều kiện khí trơ, nghiền và rửa sạch. Qua bước sấy, sản phẩm cuối cùng là bột khô có màu xám đen hay còn gọi là vật liệu composite carbon silica (C/SiO2)
Nhóm đã xây dựng được quy trình tổng hợp từ 1 kg trấu có thể sản xuất được 350g vật liệu C/SiO2, với giá bán khoảng 50 USD/1000 gr. Sau 2 năm sản xuất thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã có thể làm chủ công nghệ lắp ráp pin cúc áo và pin túi hoàn chỉnh sử dụng vật liệu C/SiO2 từ vỏ trấu.
Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu silica. Ảnh: Nhóm nghiên cứu
PGS Phụng cho biết, vật liệu silica có tính xốp giúp ion liti di chuyển và đan cài trong cấu trúc để chuyển hoá thành điện năng. APCLab tận dụng tính chất này của vật liệu để thiết kế với cấu trúc phù hợp ứng dụng cho các loại pin sạc. Tùy theo dạng năng lượng của từng loại pin, vật liệu được thiết kế để tính toán số lượng sử dụng. Thông thường, mỗi pin cúc áo chỉ cần vài chục mg vỏ trấu, nếu pin lớn hơn cần khoảng 10-20g.
Hiện nay trên thị trường, phần lớn pin sạc được làm từ vật liệu graphite được khai thác và tinh chế than từ quặng mỏ. Loại vật liệu này có giá khoảng 100 USD/100gr và bước tìm kiếm nguyên liệu có thể gây ô nhiễm môi trường.
TS Phụng đánh giá, vật liệu silica có triển vọng thay thế hoàn toàn vật liệu graphite về cả giá thành, hiệu quả sử dụng và bảo vệ môi trường. Điều này mở rộng thị trường đầy tiềm năng cho vỏ trấu và mang lại lợi nhuận lớn cho người nông dân.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự kiến tính toán tối ưu sản phẩm theo giá thành kinh tế. Theo ước tính hiện tại, pin cúc áo làm từ vỏ trấu có thể bán với giá 7-8 USD/chiếc và pin túi là 30 USD/chiếc.
Pin cúc áo từ vỏ trấu được sản xuất thử nghiệm. Ảnh: Nhóm nghiên cứu
PGS.TS Nguyễn Đình Quân, Trưởng Phòng Thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TPHCM đánh giá, silica vốn được biết đến có thể dùng làm phụ gia cho điện cực pin sạc Li-ion vì khả năng làm tăng dung lượng pin lên nhiều lần. Nhược điểm của nó là điện cực dễ bị giãn nở thể tích nhưng có thể khắc phục bằng cách sử dụng các hạt silica kích thước nano. APCLab đã tiếp thu những nghiên cứu tương tự trên thế giới để vận dụng silica định hình trong vỏ trấu làm phụ gia điện cực pin. Silica trong vỏ trấu vốn phân tán ở mật độ thấp, khi nhiệt phân vỏ trấu sẽ tạo thành hỗn hợp carbon than hóa hòa quyện cấu trúc với silica ở kích thước nano.
"Phương pháp này đơn giản mà hiệu quả cao, lại có thể giúp một cường quốc trồng lúa như Việt Nam tạo thêm giá trị gia tăng cao nếu dự án nghiên cứu thành công", TS Quân nói.
Theo thống kê, Việt Nam là quốc gia sản xuất gạo đứng thứ hai trên thế giới với sản lượng ước tính trung bình đạt khoảng 44 triệu tấn/ năm, tỉ lệ vỏ trấu khoảng 20-22% tức gần 9 triệu tấn.
PGS.TS Lê Mỹ Loan Phụng trải qua 6 năm học tập, nghiên cứu trong lĩnh vực pin sạc tại Pháp và 9 năm thực hiện đề tài liên quan pin điện hóa. Bà từng được mời tham gia nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Hóa học Vật liệu và Kỹ thuật – Đại học Kyushu, Nhật Bản về dự án các chất điện giải cho pin và dự án phát triển vật liệu tiên tiến cho pin (Consortium Battery Material Research) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Pacific Northwest (Mỹ). Nữ tiến sĩ tham gia và chủ nhiệm 9 đề tài nghiên cứu, công bố 80 bài báo quốc tế và 60 bài báo trong nước, cùng nhiều giải thưởng, học bổng giá trị từ các tổ chức uy tín.
Bích Thảo