Biến vỏ trấu thành vật liệu chế tạo pin

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.

Kết quả là đã xây dựng được quy trình, thử nghiệm thành công pin dạng cúc áo và dạng túi, mở ra hướng khai thác vỏ trấu, mang lại lợi nhuận cho người nông dân.

Nghiên cứu do Phó Giáo sư, Tiến sĩ Lê Mỹ Loan Phụng làm chủ nhiệm.

Nhóm nghiên cứu cho biết, 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, tỷ lệ vỏ trấu khoảng 20-22%, tức gần 9 triệu tấn. 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. Do đó, nếu kết quả nghiên cứu biến vỏ trấu thành vật liệu chế tạo pin li-ion có thể thương mại hóa thành công thì sẽ giúp Việt Nam có thêm cơ hội mới để khai thác giá trị từ cây lúa.

Để tận dụng nguồn nguyên liệu này, Phó Giáo sư, Tiến sĩ Lê Mỹ Loan Phụng cùng cộng sự thực hiện nghiên cứu từ năm 2020.

Vỏ trấu được nhóm nghiên cứu tập hợp, rửa sạch, sau đó sấy khô rồi đưa vào nung nhiệt. Bước tiếp theo là 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, sấy… Sản phẩm cuối cùng là bột khô có mầu xám đen hay còn gọi là vật liệu composite carbon silica (C/SiO2). Từ 1kg trấu, nhóm nghiên cứu có thể sản xuất được 350g vật liệu composite carbon silica, với giá bán khoảng 50 USD/1.000 gr.

Sau hai năm sản xuất thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã làm chủ công nghệ lắp ráp pin cúc áo và pin túi hoàn chỉnh. Quy trình tổng hợp cũng được xây dựng, có thể chuyển giao sản xuất ở quy mô mở rộng.

Phó Giáo sư, Tiến sĩ Lê Mỹ Loan Phụng cho biết, vật liệu silica có tính xốp giúp ion liti di chuyển và đan cài trong cấu trúc để chuyển hóa thành điện năng. Nhóm nghiên cứu 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 việc tìm kiếm nguyên liệu có thể gây ô nhiễm môi trường. Nhóm nghiên cứu đánh giá vật liệu silica có triển vọng thay thế hoàn toàn vật liệu graphite do ưu thế về giá thành, hiệu quả sử dụng và bảo vệ môi trường. Có thể thấy, đây là thị trường đầy tiềm năng cho vỏ trấu và mang lại lợi nhuận lớn cho người nông dân.

Theo các nhà khoa học, 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. Vật liệu này có nhược điểm là điện cực dễ bị giãn nở thể tích nhưng có thể khắc phục bằng cách sử dụng các hạt silica kích thước nano. Việc nghiên cứu tận dụng vỏ trấu chế tạo thành pin có thể giúp một cường quốc trồng lúa như Việt Nam tạo ra thêm giá trị gia tăng cao.

Hiện, nhóm đã sản xuất quy mô nhỏ vật liệu chế tạo điện cực pin sạc li-ion từ vỏ trấu; lắp ráp, thử nghiệm thành công 50 pin sạc dạng cúc áo, 50 pin sạc dạng túi. Nhóm cũng công bố 3 bài báo đăng trên tạp chí nhóm Q1, 2 bài đăng trên tạp chí nhóm Q2, 4 bài đăng trên tạp chí quốc gia và được cơ quan sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn đăng ký sáng chế.

Phó Giáo sư, Tiến sĩ 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. Cô 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 tham gia dự án phát triển vật liệu tiên tiến cho pin tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Pacific Northwest (Mỹ).

Gắn bó với công tác nghiên cứu và giảng dạy, cô đã chủ trì và cùng các đồng nghiệp tham gia hơn 10 đề tài nghiên cứu khoa học, mở ra hướng nghiên cứu về pin sạc tại Việt Nam.