Giá trị đột phá từ vỏ cua

Việc thúc đẩy nhu cầu về năng lượng tái tạo và xe điện trong bối cảnh hiện nay đang thúc đẩy nhu cầu cao về pin lưu trữ năng lượng được tạo ra và động cơ điện. Nhưng những viên pin đằng sau các giải pháp bền vững này không phải lúc nào cũng tự bền vững. Trong một bài báo đăng ngày 1 tháng 9 trên tạp chí Matter, các nhà khoa học tạo ra một pin kẽm với chất điện phân có thể phân hủy sinh học từ một nguồn không ngờ đó là vỏ cua. 

Liangbing Hu – tác giả chính, cũng là Giám đốc Trung tâm Đổi mới Vật liệu của Đại học Maryland, cho biết: “Số lượng lớn pin đang được sản xuất và tiêu thụ, làm tăng khả năng xảy ra các vấn đề môi trường. Ví dụ, các bộ phân tách bằng polypropylene và polycarbonate, được sử dụng rộng rãi trong pin Lithium-ion, phải mất hàng trăm hoặc hàng nghìn năm để phân hủy và gây thêm gánh nặng cho môi trường”. 

Pin sử dụng chất điện phân để đưa các ion qua lại giữa các cực tích điện dương và âm. Chất điện phân có thể là chất lỏng, bột nhão hoặc gel và nhiều loại pin sử dụng hóa chất dễ cháy hoặc ăn mòn cho chức năng này. Loại pin mới này, có thể lưu trữ năng lượng từ các nguồn năng lượng mặt trời và gió quy mô lớn, sử dụng chất điện phân dạng gel được làm từ vật liệu sinh học gọi là chitosan. 

Chitosan là một sản phẩm dẫn xuất của chitin. Chitin có rất nhiều nguồn, trong đó gồm thành tế bào của nấm, bộ xương ngoài của động vật giáp xác và mực ống. Nguồn chitosan dồi dào nhất là bộ xương ngoài của động vật giáp xác, bao gồm cua, tôm và tôm hùm, chúng có thể dễ dàng thu được từ chất thải hải sản. Chitin về cơ bản là một polysaccharide làm cho vỏ của chúng cứng và có khả năng chống chịu, nhưng thường bị vứt bỏ như chất thải thực phẩm. Sử dụng một quy trình hóa học đặc biệt và thêm dung dịch nước axit axetic cho phép tổng hợp chitin thành một màng gel chắc chắn và được sử dụng làm chất điện phân cho pin. 

Chất điện phân phân hủy sinh học có nghĩa là khoảng 2/3 pin có thể bị vi khuẩn phân hủy - chất điện phân chitosan này bị hỏng hoàn toàn trong vòng 5 tháng. Điều này để lại thành phần kim loại, trong trường hợp này là kẽm, chứ không phải là chì hoặc lithium, có thể được tái chế. Kẽm có nhiều trong vỏ trái đất hơn là liti, pin kẽm được phát triển tốt rẻ hơn và an toàn hơn. Pin kẽm và chitosan này có hiệu suất năng lượng là 99,7% sau 1000 chu kỳ pin, đây là một lựa chọn khả thi để tích trữ năng lượng chuyển vào lưới điện do gió và mặt trời tạo ra. Cụ thể, trong công trình nghiên cứu này đã chứng minh chất điện phân chitosan (chitosan-Zn) (trích xuất từ vỏ cua) phối hợp Zn cho pin kim loại Zn hiệu suất cao. Chất điện phân chitosan-Zn thể hiện độ bền cơ học cao, độ dẫn điện Zn2​​+ và khả năng liên kết nước, cho phép hình thái lắng đọng Zn mong muốn của các tiểu cầu Zn lục giác song song.

Sử dụng chất điện phân chitosan-Zn, cực dương Zn cho thấy độ ổn định chu kỳ và hiệu suất tốc độ đặc biệt, với hiệu suất Coulombic cao là 99,7% và > 1.000 chu kỳ ở 50 mA cm-2. Pin đầy đủ thể hiện hiệu suất tốc độ cao tuyệt vời (lên đến 20C, 40 mA cm-2) và độ ổn định chu kỳ lâu dài (> 400 chu kỳ ở 2C). Hơn nữa, chất điện phân chitosan-Zn không bắt lửa và có thể phân hủy sinh học, làm cho pin kim loại Zn được đề xuất hấp dẫn về độ an toàn và bền vững, thể hiện lời hứa về vật liệu sinh học bền vững cho các hệ thống lưu trữ năng lượng xanh và hiệu quả. 

Trong tương lai, hy vọng tất cả các thành phần trong pin đều có thể phân hủy sinh học từ bản chất vật liệu và cả quá trình chế tạo. Để đảm bảo được điều này thì vỏ cua là một nguồn nguyên liệu có tiềm năng.