Khoảng 8 năm về trước, Stora Enso, một doanh nghiệp sản xuất giấy lớn tại Phần Lan, nhận ra rằng thế giới đang thay đổi. Sự trỗi dậy của công nghệ số khiến nhu cầu tiêu thụ giấy sụt giảm liên tục.

Điều đó khiến Stora Enso - vốn tự nhận là “một trong những công ty tư nhân sở hữu nhiều rừng nhất thế giới” - phải tính đến phương án mới. Lựa chọn của họ tương đối bất ngờ: Đầu tư vào lĩnh vực pin cho xe điện, BBC đưa tin.

Stora Enso chiêu mộ đội ngũ kỹ sư để nghiên cứu khả năng sử dụng lignin - một loại polymer có trong cây - để thực hiện kế hoạch trên. Lignin chiếm khoảng 30% trong thành phần cây - tùy thuộc vào loại cây - trong khi cellulose chiếm phần nhiều còn lại.

“Lignin là ‘keo dán’ của cây, giúp kết dính các sợi cellulose với nhau và khiến cây cứng”, ông Lauri Lehtonen, lãnh đạo Lignode - bộ phận nghiên cứu pin từ lignin của Stora Enso - nói.

Là một polymer, lignin chứa carbon, nguyên tố thiết yếu trong anode của các cục pin. Anode của pin lithium sử dụng trong điện thoại chủ yếu làm từ than chì - một dạng thù hình của carbon.

Các kỹ sư của Stora Enso nhận thấy họ có thể chiết xuất lignin từ bột giấy thải, sau đó có thể biến lignin thành carbon để chế tạo anode pin. Hợp tác với một doanh nghiệp Thụy Điển, công ty mong muốn khởi động sản xuất pin từ năm 2025.

Với việc xe điện đang ngày càng được người tiêu dùng ưa thích, thị trường pin xe điện toàn cầu được cho sẽ tăng mạnh trong những năm tới. Dù vậy, quy trình làm ra pin xe điện vẫn có nguy cơ đe dọa tới môi trường.

Trong bối cảnh này, nhiều nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang tìm kiếm nguồn vật liệu chế tạo pin bền vững hơn. Một số cho rằng câu trả lời đến từ cây cối.

Về cơ bản, mọi cục pin đều cần một cathode và một anode - lần lượt là cực dương và cực âm của pin. Khi pin hoạt động, các phần tử mang điện - gọi là ion - sẽ di chuyển qua hai cực này.

Khi pin được sạc, các ion lithium và natri sẽ “đi” từ cathode tới anode, nơi chúng “tạm trú” ở đó giống như cách các xe hơi được gửi ở các bãi đỗ xe nhiều tầng, bà Jill Pestana, một nhà khoa học chuyên về pin tại Mỹ, so sánh với BBC.

“Đặc điểm chính mà bạn mong muốn ở vật liệu tạo nên cấu trúc ‘bãi đỗ xe’ này là việc chúng dễ dàng nhận vào và phóng ra lithium và natri, cũng như không bị vỡ vụn”, bà Pestana nói.

Khi pin được sử dụng, các ion sẽ di chuyển trở lại về hướng cathode. Song song với quá trình này, electron sẽ di chuyển trên dây điện, đem tới năng lượng cho phương tiện.

Theo bà Pestana, than chì là loại vật liệu tuyệt vời. Do đó, các vật liệu thay thế - như cấu trúc carbon chế tạo từ lignin - cần phải chứng tỏ hiệu quả nếu muốn thành công.

Tiềm năng của lignin
Stora Enso không phải công ty duy nhất đang tìm cách nghiên cứu tiềm năng ứng dụng của lignin vào ngành công nghiệp pin. Bright Day Graphene, công ty đến từ Thụy Điển, đã sử dụng lignin để chế tạo graphene - một dụng thù hình khác của carbon.

Về phần mình, ông Lehtonen từ chối tiết lộ quy trình chi tiết để biến lignin thành cấu trúc carbon cứng - ngoại trừ tiết lộ các nhà khoa học có phải dùng nhiệt, nhưng không cao như cách tổng hợp than chì thông thường.

Một trong những đặc điểm quan trọng của cấu trúc carbon thu được là tính vô định hình. “Điều này thực tế giúp các ion ra vào một cách linh động hơn”, ông Lehtonen nói.

Stora Enso tuyên bố họ có thể sản xuất pin lithium hoặc natri có khả năng sạc trong 8 phút. Tốc độ sạc của pin là một trong những chỉ số chính mà các nhà cung cấp xe điện muốn cạnh tranh để thu hút người dùng.

Ở bên kia Đại Tây Dương, giáo sư Wyatt Tenhaeff tại Đại học Rochester, New York cũng đã chế tạo thành công anode từ lignin trong phòng thí nghiệm.

Giáo sư Tenhaeff cùng các cộng sự nhận thấy khi chế tạo anode từ lignin, họ không cần phải sử dụng các vật liệu kết dính hay vật liệu thu điện. Dù vậy, ông tỏ ra nghi ngờ về khả năng vật liệu từ lignin có thể thay thế than chì về mặt thương mại.

“Tôi không nghĩ rằng đây là thay đổi lớn về giá thành hay hiệu suất đủ để giúp chúng thay thế than chì”, ông nói.

Một vấn đề khác với việc sử dụng lignin là yêu cầu bảo đảm các khu rừng cung cấp gỗ được khai thác một cách bền vững. Về phần mình, Stora Enso khẳng định tỷ lệ bền vững đối với nguồn cung của họ là 100%.

Ngoài anode, lignin cũng có thể được sử dụng để chế tạo chất điện phân, theo nghiên cứu của một nhóm nhà khoa học Italy công bố tháng 4/2022. Chất điện phân là chất nằm giữa cathode và anode, giúp ion có thể di chuyển giữa hai điện cực.

Giáo sư Gianmarco Griffini tại Đại học Bách khoa Milan cho biết chất điện phân có thể được sản xuất từ dầu mỏ. Dù vậy, lignin có thể trở thành vật liệu thay thế bền vững hơn.

Trước khi sử dụng lignin làm chất điện phân, nhóm nghiên cứu đã thử dùng vật liệu này để chế tạo vật liệu dùng trong pin Mặt Trời. Dù vậy, hiệu quả không cao vì lignin có màu hơi nâu - khiến chúng hấp thụ một phần ánh sáng. Trong pin, điều này không là vấn đề.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một polymer dạng gel để làm chất điện phân cho pin kali. “Kết quả khá tốt”, ông Griffini chia sẻ.