Doanh số bán xe điện bùng nổ đã làm tăng nhu cầu đối với lithium. Nhưng kim loại nhẹ này rất cần để chế tạo pin sạc, lại không có nhiều. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học quốc gia Seoul đã tạo bước tiến quan trọng hướng tới khai thác nguồn cung cấp lithium gần như vô hạn: tách lithium từ nước biển.

Lithium được đánh giá cao về khả năng sạc vì nó tích trữ nhiều năng lượng hơn so với các vật liệu pin khác. Các nhà sản xuất sử dụng hơn 160.000 tấn lithium mỗi năm, nhưng trong thập kỷ tới dự kiến ​​sẽ tăng gấp gần 10 lần. Nhưng nguồn cung cấp lithium bị hạn chế và tập trung ở một số quốc gia, nơi kim loại này được khai thác hoặc chiết xuất từ​​nước mặn.

Sự khan hiếm lithium đã làm dấy lên lo ngại về sự thiếu hụt vật liệu này trong tương lai có thể khiến giá pin tăng vọt và kìm hãm sự phát triển của xe điện và các công nghệ khác phụ thuộc vào lithium như Tesla Powerwalls, thường được sử dụng để tích trữ điện mặt trời trên mái nhà.

Nước biển có thể khắc phục tình trạng này. Các đại dương trên thế giới có chứa khoảng 180 tỷ tấn lithium. Nhưng nước biển pha loãng hiện chiếm khoảng 0,2 phần triệu. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra nhiều bộ lọc và màng để cố gắng chiết xuất có chọn lọc lithium từ nước biển. Nhưng những nỗ lực đó dựa vào việc làm bay hơi phần lớn nước để cô đặc lithium, mất nhiều thời gian, cho đến nay chưa  kinh tế.

Nhóm nghiên cứu đã cố gắng sử dụng các điện cực pin lithium-ion để tách lithium trực tiếp từ nước biển mà không cần phải làm bay hơi nước trước. Các điện cực này bao gồm các vật liệu xếp lớp giống như bánh sandwich được thiết kế để bẫy và giữ các ion lithium khi pin sạc. Trong nước biển, điện áp âm được đặt vào một điện cực để “kéo” các ion lithium vào điện cực. Nhưng điện áp âm cũng kéo theo natri, nguyên tố giống nhau về mặt hóa học xuất hiện trong nước biển với khối lượng dồi dào gấp khoảng 100.000 lần lithium. Nếu hai nguyên tố đi vào điện cực với cùng một tốc độ, natri gần như hoàn toàn lấn át lithium.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do Yi Cui, nhà khoa học vật liệu tại trường Đại học Stanford dẫn đầu, đã tìm cách làm cho vật liệu điện cực được lựa chọn nhiều hơn. Đầu tiên, họ phủ lên điện cực một lớp titan dioxit mỏng đóng vai trò là rào cản. Vì các ion lithium nhỏ hơn natri, nên chúng dễ dàng lách qua và đi vào trong điện cực có cấu trúc theo lớp.

Các nhà nghiên cứu cũng đã thay đổi cách kiểm soát điện áp. Thay vì đặt điện áp âm không đổi vào điện cực, như các nhà khoa học khác đã làm, họ đã quay nó theo chu kỳ. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã dẫn điện áp âm vào và sau đó, nhanh chóng ngắt điện áp. Tiếp theo, các nhà khoa học dẫn điện áp dương vào, rồi lại ngắt và lặp lại chu kỳ.

Sự thay đổi điện áp làm cho các ion lithium và natri di chuyển vào điện cực, dừng lại và sau đó bắt đầu di chuyển ra ngoài khi dòng điện đảo chiều. Tuy nhiên, do vật liệu điện cực có ái lực với lithium cao hơn một chút so với natri, nên các ion lithium là những ion  đầu tiên di chuyển vào các điện cực và là ion cuối cùng rời đi. Vì vậy, việc lặp lại chu trình này dẫn đến tập trung lithium trong điện cực. Sau 10 chu kỳ như vậy, chỉ mất vài phút, nhóm nghiên cứu đã kết thúc với tỷ lệ lithium với natri là 1:1. Điều đó làm tăng gấp đôi tính chọn lọc.

Phương pháp mới có chi phí chưa rẻ để canh tranh với việc khai thác lithium trên đất liền. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đang cố gắng tăng tính chọn lọc bằng cách sử dụng các loại điện cực pin lithium-ion khác. Cách tiếp cận này cũng hữu ích trong việc thu hồi lithium từ pin thải loại để tái sử dụng và có tiềm năng sạc siêu nhanh cho xe điện.

N.P.D (NASATI), theo https://www.sciencemag.org/news/2020/07/seawater-could-provide-nearly-unlimited-amounts-critical-battery-material, 13/7/2020