Các nhà thống kê ước tính, cuối thập kỷ này, doanh số bán xe điện (EV) thúc đẩy nhu cầu lithium gấp 5 lần mức hiện tại . Sự gia tăng đột ngột buộc các công ty phải tìm kiếm những nguồn cung cấp mới kim loại quý giá. Nhưng PGS Chong Liu tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago tin rằng, nguồn kim loại quý hiếm này rất giàu có trong đại dương.

75% lượng lithium trên thế giới được khai thác từ một dải đất miền núi thuộc Argentina, Bolivia và Chile, được gọi là Tam giác Lithium. Kim loại được chiết xuất bằng cách bơm nước muối vào những bồn chứa khổng lồ ngoài trời, bốc hơi trong khoảng thời gian một năm.

Nhưng quy trình kéo dài này tạo ra một tắc nghẽn lớn trong thế giới luôn thiếu lithium. Những nguồn cung cấp lithium khác vẫn có, nhưng quá trình khai thác sẽ gây tổn thất nặng nề môi trường và chi phí cao.

Để giải quyết sự thiếu hụt lithium, nhiều quốc gia, trong đó có Mỹ nỗ lực tìm kiếm các phương pháp khai thác bền vững, đáp ứng nhu cầu loại kim loại này. Nghiên cứu của Chong Liu, PGS Chương trình Gia đình Neubauer tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker đề ra giải pháp khai thác lithium từ nước biển.

PGS Liu là nhà khoa học vật liệu, nghiên cứu các đặc tính của vật chất để tạo ra các vật liệu chuyên biệt cao. Phòng thí nghiệm của cô phát triển một loại điện cực mới, có thể chiết xuất những nguyên tố có giá trị cao từ nước biển bằng quy trình xen kẽ điện hóa. Mặc dù công trình nghiên cứu của Liu đang ở giai đoạn đầu, nhưng có thể là một trong những phương pháp bền vững nhất để chiết xuất lithium.

Theo PGS Liu, nghiên cứu nhằm tạo ra một quy trình thân thiện với môi trường. do khai thác sử dụng phương pháp điện hóa, hoàn toàn không có nhu cầu nhiệt độ cao hoặc axit mạnh và chỉ thu giữ nguyên tố theo yêu cầu. Đây là quy trình mang tính chọn lọc ion đơn lẻ.

 PGS Chong Liu nghiên cứu thiết kế các điện cực để thu gom lithium cho pin từ nước biển. Ảnh John Zich

Đây là một trong những phương thức tiếp cận mà Bộ Năng lượng Mỹ đang thực hiện nghiêm túc. Ngày 2/9/2021 PGS Liu được vinh danh là một trong 13 nhà nghiên cứu, nhận được một phần của quỹ 30 triệu USD để đảm bảo nguồn cung cấp nguyên liệu quan trọng cho những công nghệ năng lượng sạch quốc gia.

Bộ trưởng Năng lượng Mỹ Jennifer M. Granholm cho biết: “Mở rộng cơ sở hạ tầng xe điện, cường hóa lưới điện của quốc gia và cung cấp cho nền kinh tế với hàng triệu công việc trong lĩnh vực năng lượng sạch, trên cơ sở phát triển chuỗi cung ứng những nguyên liệu kim loại quan trọng”.

 “Vấn đề then chốt cho tương lai không carbon là phát triển các ngành công nghiệp sạch của Mỹ, xây dựng hệ thống chuỗi cung ứng toàn cầu các vật liệu quan trọng do Mỹ sản xuất và tích cực triển khai các công nghệ khí hậu bền vững trong nước và nước ngoài”.

Phương pháp của PGS Liu tương tự như một nam châm điện hút và thu thập kim loại đen, có thể hút và thu thập liti. Đặc điểm then chốt là không có từ tính trong xen phủ điện hóa, các ion bị hút bởi một điện trường. Nhân viên kỹ thuật sẽ nhấn chìm một mảng điện cực vào nước biển, thu hút lithium và sau đó giải phóng kim loại vào một bể chứa. Đây là một quy trình thân thiện với môi trường.

Ở cấp độ phân tử, PGS Liu đạt được kết quả này thông qua giải pháp thiết kế các vật liệu điện cực có độ đặc dụng cao, hút các ion về phía điện cực nhưng chỉ thu giữ những nguyên tố nhất định.

Phương pháp tiếp cận này có những khó khăn đặc biệt, do nồng độ lithium trong nước biển thấp, khoảng 0,2 triệu phần trăm nên bất kỳ kỹ thuật chiết xuất nào cũng phải có hiệu quả rất cao để có thể hấp thụ lithium với tốc độ hợp lý. Hơn nữa, các điện cực sử dụng ở quy mô công nghiệp phải chế tạo bằng vật liệu có tính chọn lọc và độ bền cao. Lựa chọn nguyên vật liệu hiệu quả cao để chế tạo các điện cực đòi hỏi nhiều thời gian nghiên cứu thử nghiệm.

PGS Liu hiểu rất rõ những thách thức đó và đã giải quyết ở cấp độ thiết kế. Phòng thí nghiệm của cô cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn trong quá trình lựa chọn vật liệu, thu hẹp các ứng viên thành một vài nhóm tiềm năng, đồng thời sử dụng kỹ thuật máy học mới để hoàn thiện lựa chọn. Phòng thí nghiệm của PGS Liu xác định, trong vòng một thập kỷ sẽ có một hệ thống mới, hoàn toàn bền vững để chiết xuất lithium.

Trong một hoặc hai thập kỷ tới, phương thức di chuyển của nhân loại sẽ hoàn toàn thay đổi để giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu. Sản xuất pin bằng các phương pháp thân thiện với môi trường là điều kiện tiên quyết để chuyển hóa các phương tiện giao thông từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng điện, giải quyết triệt để vấn đề biến đổi khí hậu và phát triển nền công nghiệp bền vững.