EnglishTinh chế và tổng hợp graphite – than chì – để làm pin xe điện
Nhu cầu graphite để làm anode pin xe điện tăng cao
Năm 2015, giới truyền thông dự đoán nhu cầu graphite sẽ rất lớn để đáp ứng sự tăng trưởng của pin Li-ion dùng trong xe điện. Đã nảy sinh suy đoán rằng graphite có thể bị thiếu hụt vì pin EV lớn cần khoảng 25kg (55 lb) graphite cho anode Li-ion. Mặc dù giá cả và mức tiêu thụ đều thấp nhưng vẫn có dấu hiệu nhu cầu gia tăng. Trung Quốc là nhà sản xuất vật liệu anode chính.
Hình 1: Các quốc gia sản xuất graphite tự nhiên (2023)
Nguồn: BMO Capital Markets, USGS 2024 Tóm tắt hàng hóa khoáng sản
Sản xuất graphite để làm anode với độ tinh khiết 99,99% rất tốn kém và quá trình này tạo ra chất thải. Chi phí phần lớn nằm trong quá trình tinh chế. Tái chế Li-ion cũ để lấy graphite sẽ không giải quyết được vấn đề này vì quá trình tinh chế tốn kém.
Graphite là gì?
Carbon và graphite – than chì- là hai chất đồng phân. Graphite là một dạng kết tinh của cacbon, một dạng biến đổi cấu trúc xảy ra bằng cách liên kết các nguyên tố lại với nhau theo một cách khác. Graphite là dạng carbon ổn định nhất. Kim cương, một dạng kết tinh siêu bền của cacbon được biết đến với những tính chất vật lý tuyệt vời, lại kém ổn định hơn graphite;
Graphite có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp “graphein”. Nó có khả năng chịu nhiệt, dẫn điện và dẫn nhiệt, thụ động về mặt hóa học (chống ăn mòn) và nhẹ hơn nhôm. Nó cũng rất mềm và dễ uốn. Bên cạnh làm anode cho pin Li-ion, graphite cao cấp còn được sử dụng trong pin nhiên liệu, pin mặt trời, chất bán dẫn, đèn LED và lò phản ứng hạt nhân.
Hình 2: graphite – than chì
Cách sản xuất graphite
Graphite có hai dạng: graphite tự nhiên từ mỏ và graphite tổng hợp từ than cốc dầu mỏ. Cả hai loại đều được sử dụng làm vật liệu cực dương Li-ion với 55% nguồn tổng hợp nhân tạo, phần còn lại là graphite tự nhiên.
Các nhà sản xuất ưa chuộng graphite tổng hợp vì tính đồng nhất và độ tinh khiết vượt trội của nó so với graphite tự nhiên. Điều này đang thay đổi và với các quy trình tinh chế hóa học hiện đại và xử lý nhiệt, graphite tự nhiên đạt được độ tinh khiết 99,9% so với 99,0% của chất tổng hợp tương đương.
Bông Graphite tự nhiên tinh khiết được tinh chế có cấu trúc tinh thể cao hơn và có tính dẫn điện và nhiệt tốt hơn vật liệu tổng hợp. Việc chuyển sang graphite tự nhiên sẽ giảm chi phí sản xuất với hiệu suất Li-ion tương đương hoặc tốt hơn. Graphite tổng hợp cho Li-ion được bán với giá khoảng 10.000 USD/tấn trong khi graphite hình cầu làm từ bông graphite tự nhiên được bán với giá 7.000 USD (giá năm 2015).
Graphite tự nhiên chưa qua chế biến rẻ hơn nhiều và ngoài giá thành thấp, chúng thân thiện với môi trường hơn; nó cũng tạo thành gốc để sản xuất graphene, giấc mơ của các nhà khoa học. Cuối năm 2016, graphite tự nhiên chiếm 60-65% thị phần; tổng hợp là khoảng 30% và các chất thay thế như lithium titanate , silicon và thiếc là khoảng 5%.
Một phòng thí nghiệm nghiên cứu mối liên quan giữa vòng đời pin với việc sử dụng graphite nhân tạo. Graphite nhân tạo tương tự như graphite tổng hợp nhưng giá thành và khả năng sản xuất vẫn chưa được biết rõ. Kết quả thử nghiệm được công bố vào năm 2019 cho thấy những cải tiến đáng kể về tuổi thọ pin, một vấn đề được nhiều nhà sản xuất xe điện quan tâm .
Sản xuất graphite và mối quan tâm về môi trường:
Ngành công nghiệp graphite đang chịu áp lực phải giảm mức độ ô nhiễm. Việc xử lý bông graphite tự nhiên và graphite tổng hợp gây ô nhiễm không khí ở gần các nhà máy sản xuất. Việc giảm nước thải sinh ra bằng cách xử lý bông graphite tự nhiên thành graphite hình cầu như một phần của quá trình thanh lọc cũng là một mối quan tâm.
Graphite hình cầu chủ yếu được sản xuất bằng cách tinh chế bông graphite tự nhiên để đạt độ tinh khiết 99,95%. Với sự tăng trưởng nhanh chóng của nhu cầu Li-ion trong thập kỷ tới, câu hỏi đặt ra là khả năng cung cấp đủ graphite hình cầu để đáp ứng nhu cầu. Graphite hình cầu có giá cao hơn 3-4 lần so với bông graphite. Một phần chi phí này xuất phát từ các yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường vì quá trình tinh chế sử dụng axit mạnh.
Việc sản xuất graphite phần lớn phục vụ nhu cầu làm anode trong pin Li-ion. Ấn Độ và Trung Quốc là những nước sản xuất graphite lớn. Khi Li-ion được cải tiến, các quy trình trở nên phức tạp hơn và điều này cũng liên quan đến việc bảo vệ môi trường.
Các quy trình thanh lọc hiện nay chủ yếu được thực hiện ở Trung Quốc và đòi hỏi một lượng lớn hóa chất có tác động tiêu cực đến môi trường. Trong tương lai gần, việc thanh lọc có thể được thực hiện bằng công nghệ xanh mới, chẳng hạn như thủy điện.
Trong khi những nỗ lực được thực hiện để giảm bớt tác động đến môi trường, nguồn cung graphite tự nhiên và tổng hợp đều bị hạn chế. Điều này được phản ánh trong giá graphite tăng từ năm 2017 và dự kiến sẽ giữ nguyên đến năm 2020 khi các nhà máy đang được tân trang lại.
Graphene – vật liệu anode của tương lai?
Graphene là một dạng thù hình của carbon. Nó mềm dẻo, trong suốt, không thấm ẩm, bền hơn kim cương và dẫn điện tốt hơn vàng. Các chuyên gia gợi ý rằng graphene là vật liệu kỳ diệu sẽ cải tiến nhiều sản phẩm, bao gồm cả pin.
Anode làm từ graphene được cho là có khả năng giữ năng lượng tốt hơn cực dương graphite và hứa hẹn thời gian sạc nhanh hơn mười lần so với thời gian sạc hiện tại của Li-ion. Khả năng tải có thể được cải thiện; tuổi thọ dài hơn cũng là một mong muốn mà cộng đồng khoa học chờ đợi từ loại anode này.
Với anode graphite truyền thống, các ion lithium tích tụ xung quanh bề mặt ngoài của anode. Graphene có một giải pháp tinh vi hơn bằng cách cho phép các ion lithium đi qua các lỗ nhỏ xíu của các tấm graphene có kích thước 10–20nm. Điều này hứa hẹn tối ưu hóa diện tích khi có sẵn, loại pin như vậy ước tính sẽ lưu trữ năng lượng gấp 10 lần so với Li-ion có cực dương graphite thông thường.
Những cải tiến hơn nữa với graphene đạt được bằng cách thêm oxit vanadi vào cathode. Pin thử nghiệm với cải tiến như vậy được cho là sẽ sạc lại trong 20 giây và giữ được 90% công suất sau 1.000 chu kỳ. Graphene cũng đang được thử nghiệm trong các siêu tụ điện để cải thiện mật độ năng lượng riêng, cũng như trong pin mặt trời. Hình 2 minh họa mạng lưới graphene đặc biệt được nhìn thấy bằng kính hiển vi:
Hình 3: graphene
Graphene là một tấm carbon đồng chất dày một nguyên tử. Nó mềm dẻo, trong suốt, không thấm ẩm, bền hơn kim cương và dẫn điện tốt hơn vàng. Mỗi nguyên tử carbon sở hữu ba electron liên kết với electron nguyên tử lân cận gần nhất, tạo ra liên kết hóa học.
Các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết về sự kỳ diệu của graphene trong nhiều thập kỷ, nhưng chưa có sản phẩm thương mại nào sử dụng vật liệu này. Có khả năng là sự kỳ diệu của graphene đã được sử dụng một cách vô tình trong nhiều thế kỷ trong bút chì và các sản phẩm khác. Sự hiểu biết sâu hơn về tính chất hóa học của nó sẽ tạo nên nhiều bước tiến vượt trội.
Tuy nhiên, chúng ta khoan hãy vội tin vào các báo cáo khoa học đột phá mới ra lò và chờ đợi cho tới khi siêu pin thực sự ra đời.
