Nhật phát triển pin bột gỗ, loại bỏ kim loại hiếm như lithium và coban

Nippon Paper phát triển pin làm từ bột gỗ, hướng đến sử dụng cho máy bay không người lái (drone) và điện thoại thông minh.

Theo Nikkei, nhà sản xuất giấy hàng đầu Nhật Bản đã thắp sáng thành công 1 bóng đèn điện bằng loại pin làm từ bột gỗ. Điều này mở ra một tương lai mới để sản xuất pin cho máy bay không người lái, điện thoại thông minh, xe điện... trong điều kiện nguồn kim loại hiếm ngày càng cạn kiệt trên Trái Đất.

Nippon Paper Industries dự kiến có thể tăng thêm dung lượng pin, đủ để cung cấp năng lượng cho máy bay không người lái vào năm tài chính 2023, sau đó là điện thoại thông minh và các thiết bị khác vào năm tài chính 2030. Mục tiêu cuối cùng của công ty là sản xuất pin cho ô tô điện.

Nếu thành công, sự đổi mới của Nippon Paper sẽ là một bước ngoặt, một công nghệ giúp loại bỏ việc sử dụng kim loại hiếm để sản xuất pin.

Sản xuất pin bằng bột gỗ

Tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Vật liệu Sáng tạo Fuji của Nippon Paper ở tỉnh Shizuoka, dưới chân núi Phú Sĩ, vào cuối tháng 11, một bóng đèn nhỏ phát ra ánh sáng mạnh khi kết nối với pin từ bột gỗ. Mặc dù ánh sáng chỉ kéo dài ba giây trước khi bắt đầu mờ đi, nhưng người đứng đầu phòng thí nghiệm Fuminari Nonomura đã gọi đó là một khoảnh khắc "cách mạng".

Pin được làm từ các sợi nano xenlulo có đường kính 3 nanomet, hay 3 phần tỷ mét. Các sợi nano được tinh chế từ bột gỗ, sau đó được xử lý thành các màng mỏng được ngăn cách bằng lá nhôm, đóng vai trò như một điện cực.

Các sợi nano có thể lưu trữ và giải phóng điện vì các electron va chạm với nhau như trường hợp của pin kim loại. Không giống như công nghệ lithium-ion ngày nay, nó không bị suy giảm sau hàng triệu lần sạc và giải phóng điện. Đặc tính đặc biệt này được phát hiện vào tháng 3 bởi các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm (Nippon Paper cùng điều hành với Mikio Fukuhara, một nhà nghiên cứu tại Đại học Tohoku và một số nhà khoa học khác).

Pin được làm từ các sợi nano xenlulo có kích thước 20 cm vuông, có độ dày 0,05 mm và nặng 0,15 gram. Trong khi bóng đèn LED 3 volt, 0,025 amp sáng trong 7 giây, mật độ năng lượng của pin hoặc khả năng lưu trữ năng lượng được đo là khoảng 1 watt-giờ trên kilogam. Trong một thí nghiệm trước đây, các nhà khoa học của Fuji cho biết họ có thể nhận được mật độ năng lượng lên tới 10 watt-giờ. Trong hai thí nghiệm này, pin đã chứng minh được dung lượng tương đương với một phần 200 và một phần 20 của pin lithium-ion.

Trong năm tài chính 2022, Nippon Paper sẽ tạo ra hình dạng tối ưu và phương pháp tốt nhất để xử lý sợi nano xenluloza thành màng mỏng. Công ty có kế hoạch sản xuất pin nguyên mẫu để cung cấp năng lượng cho các máy bay không người lái nhỏ sử dụng trong nhà vào năm tài chính 2023 và bắt đầu tiếp thị quy mô toàn diện sau khi trưng bày công nghệ tại Expo 2025 ở Osaka. Họ cũng có kế hoạch đưa pin lên điện thoại thông minh và thiết bị điện tử nhỏ trong hộ gia đình vào năm 2030.

Giải phóng khỏi kim loại hiếm

Cuối cùng, Nippon Paper hy vọng có thể đưa các gói pin nhiên liệu bằng bột giấy vào xe điện, thay vì pin lithium-ion đang làm cạn kiệt nguồn dự trữ coban, lithium và niken trên thế giới. Giá kim loại hiếm liên tục tăng do nhu cầu về xe điện ngày càng mở rộng. Giá Lithium đã tăng hơn gấp đôi trong năm qua lên khoảng 30 USD/kg. Giá Coban cũng tăng gấp đôi lên 60.000 USD/tấn.

Cộng hòa Dân chủ Congo ước tính chiếm 70% sản lượng coban của thế giới, trong khi hơn 20% niken được sản xuất ở Trung Quốc. Với việc sử dụng xe điện ngày càng tăng, việc cắt giảm kim loại hiếm đang trở nên cấp thiết. Việc khai thác quá mức các kim loại này đang tạo ra những lo ngại về an ninh kinh tế.

Pin của Nippon Paper có thể được lấy nhiên liệu từ các khu rừng chiếm 2/3 diện tích Nhật Bản. Những khu vực này có thể được tái tạo bằng cách trồng cây.

Thách thức chính hiện nay là cải thiện đáng kể khả năng lưu trữ của pin trước khi nó có thể cung cấp năng lượng cho xe điện. Tụ điện đã không đảm nhận được vai trò đó vì dung lượng nhỏ hơn so với dung lượng pin lithium-ion. Nippon Paper đang tìm cách tăng dung lượng bằng cách chồng các màng sợi nano xenlulo lên nhau.

Nippon Paper cũng cần phát triển một công nghệ xử lý sợi nano thành các tấm có độ dày bằng nhau để ngăn chúng cháy. Họ cũng chung tay với các nhà sản xuất pin và thiết bị để phát triển các công nghệ tương tự.

Đầu tư cho tương lai và môi trường

Hiện nay, sợi nano xenlulo được sử dụng chủ yếu làm chất phụ gia trong đồ ăn nhẹ và các sản phẩm hàng ngày như dầu gội đầu. Việc sử dụng sẽ tăng mạnh nếu chúng được sử dụng như một vật liệu quan trọng để tạo ra pin.

Nippon Paper đang hy vọng đạt doanh thu hợp nhất 1,3 nghìn tỷ yên (11,44 tỷ USD) một năm tính đến tháng 3 năm 2031, bao gồm 65 tỷ yên từ sợi nano xenlulo và các vật liệu mới khác. Con số đó sẽ tăng 29% so với năm tài chính 2020.

Fukuhara nói: “Các nghiên cứu về vật liệu mới sẽ không sớm tạo ra nguồn thu nhập tiếp theo cho Nippon Paper”. Tuy nhiên, với tư cách là nhà sản xuất giấy, Nippon Paper sẽ “mở đường cho thiết bị điện tử giấy” để góp phần vào việc làm giảm phát thải khí carbon.