Tái chế và “cuộc sống mới” cho pin đã qua sử dụng

Áp lực đối với nguyên liệu thô

Giáo sư Poul Norby là chuyên gia khoa học vật liệu tại DTU Energy và một trong những nhà nghiên cứu hàng đầu của Đan Mạch về pin. Tình trạng xanh của ôtô điện luôn được tranh luận gay gắt, đặc biệt do việc sản xuất pin ôtô điện tạo ra nhiều CO2 hơn đáng kể so với ắc quy ôtô thông thường, và việc khai thác nguyên liệu thô của chúng tiềm ẩn nhiều vấn đề. Tuy nhiên, phân tích vòng đời ôtô điện - từ dây chuyền lắp ráp đến bãi phế liệu - cho thấy ôtô điện ở Đan Mạch tổng thể thải ra ít CO2 hơn đáng kể so với ôtô chạy bằng xăng hoặc dầu diesel. Ngoài ra, một số biện pháp được đề xuất để đảm bảo việc khai thác thân thiện với môi trường hơn, mang lại lợi ích cho người khai thác cũng như môi trường.

Poul Norby chỉ là một trong số những người ngày càng  tăng cường đầu tư vào một tương lai không hóa thạch bằng cách mua ôtô điện. Theo số liệu Cơ quan Năng lượng quốc tế, 6,6 triệu ôtô điện được bán trên toàn thế giới vào năm 2021.Con số đó gấp 3 lần so với hai năm trước đó. Doanh số tăng nhanh này đang dẫn đến tình trạng thiếu pin. Một phần vì sẽ rất khó để chiết xuất nguyên liệu thô như coban, lithium, niken và graphite, những chất hiện thường được sử dụng trong pin, đủ nhanh và nhạy. Và một phần do nhu cầu về pin có khả năng vượt quá khả năng sản xuất trong một khoảng thời gian.

Trong một nghiên cứu từ tháng 4-2022, nhóm nhà khoa học từ KU Leuven (Bỉ) ước tính để đạt mục tiêu trở nên trung hòa với khí hậu vào năm 2050, châu Âu cần gấp 36 lần lượng lithium và gấp 4 lần lượng coban như hiện nay. Điều này sẽ tạo ra một cuộc chiến giành tài nguyên. Theo Poul Norby, một cách để giảm bớt tình trạng tắc nghẽn không thể tránh khỏi là phát triển các loại pin mới tốt hơn, sử dụng ít nguyên liệu thô hơn.

Thách thức về nguồn cung, trong số những thứ khác, sẽ đẩy nhanh tiến độ công việc để tìm ra những giải pháp thay thế chopin lithium-ion được sử dụng trong hầu hết ôtô điện ngày nay, và loại vẫn chứa khoảng 10% coban, mặc dù đã nỗ lực giảm lượng. Nghiên cứu mở rộng được thực hiện để tìm ra các chất thay thế cho coban, thay thế nó bằng sắt hoặc mangan. Điều này khiến giáo sư Norby đề xuất một dự đoán táo bạo: “Trong vòng 5 năm nữa, sẽ không có coban trong pin lithium-ion của chúng tôi. Đó là một tuyên bố rất táo bạo, nhưng đó là điều chúng tôi đang hướng tới, bởi vì coban có vấn đề về nhiều mặt”.

Trọng lượng, hiệu suất và giá cả của pin đóng vai trò lớn trong việc xác định liệu thứ gì đó có phải là sự thay thế thú vị cho pin lithium-ion phổ biến hay không. Hai thông số đầu tiên giúp đảm bảo ôtô điện hoạt động lâu nhất có thể trong một lần sạc. Cùng với một số đồng nghiệp DTU, Poul Norby là một phần trong dự án nghiên cứu pin lớn nhất và tốn kém nhất của Liên minh châu Âu (EU) cho đến nay – đó là BIG-MAP. Nhiệm vụ của họ là phát triển một quy trình hiệu quả để đánh giá vật liệu nào là ứng cử viên tốt cho việc phát triển các loại pin mới và hiệu quả, không chỉ để sử dụng cho ôtô mà còn cho quá trình chuyển đổi “xanh” nói chung.

Norby bình luận: “Bằng cách tạo ra một quy trình hiệu quả để phát triển, thử nghiệm và đánh giá vật liệu mới, chúng tôi có thể tăng đáng kể tốc độ của quy trình phát triển vật liệu. Vì vậy, chúng tôi đang kết hợp mô hình lý thuyết với công việc thực nghiệm, tạo ra một quy trình học máy tự động cho phép chúng tôi liên tục đánh giá và quyết định cách đi tiếp theo”.

Công việc của họ đóng góp kiến thức cơ bản về những vật liệu có công dụng thực sự hoặc tiềm năng như vật liệu mới hoặc vật liệu hiện có.Theo nhiều cách, đây là bước đi trước khi phát triển các loại pin mới, nhưng nó là bước cần thiết giúp tránh làm việc dựa trên những ý tưởng mà cuối cùng lại không hiệu quả. Theo Poul Norby, bước tiếp theo trong quá trình phát triển pin mới là pin thể rắn. Không giống như pin lithium-ion hiện tại, chất điện phân (tức là kết nối giữa cực dương và cực âm của pin) là chất rắn thay vì chất lỏng và được làm bằng thủy tinh, khoáng chất hoặc polyme.

Một số nhà sản xuất ôtô lớn đã đầu tư rất nhiều vào việc phát triển pin thể rắn, được kỳ vọng sẽ chống cháy tốt hơn, sạc nhanh hơn đáng kể và chứa năng lượng gấp đôi so với pin lithium-ion hiện nay. Một số thương hiệu ôtô thông báo họ dự kiến một loại pin thể rắn có thể sử dụng được vào năm 2025.

Bằng cách kết hợp tính toán với công việc thực nghiệm, nhóm nhà nghiên cứu của DTU chỉ ra rằng, về lý thuyết có thể tạo ra pin lithium-air. Tuy nhiên, cho đến nay rất khó đạt được hiệu suất năng lượng, tốc độ sạc và độ bền. Norby nhận định: “Đây chắc chắn là thứ có thể cách mạng hóa công nghệ pin, nhưng còn lâu mới có thể xảy ra”.

Cuộc sống mới cho pin cũ

Tuần hoàn cũng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa tình trạng thiếu nguyên liệu về lâu dài. Nghiên cứu của KU Leuven ước tính nếu châu Âu đầu tư mạnh ngay bây giờ, châu lục này sẽ có thể đáp ứng 40-75% nhu cầu nguyên liệu thô cho quá trình chuyển đổi xanh thông qua tái chế. Poul Norby cho biết: “Nhiều cuộc tranh luận công khai để lại ấn tượng rằng tuần hoàn bắt đầu từ đây và bây giờ, nhưng điều đó không đúng. Vật liệu pin đã được tái chế trong một thời gian rất dài. Nó rất khó khăn và tốn kém cho đến nay, nhưng sự phát triển của các phương pháp tái chế rẻ hơn và hiệu quả hơn đang chuyển mình”.

Số liệu của Nghị viện châu Âu cho thấy trong năm 2019, 51% pin di động bán ở EU được thu gom để tái chế, nhưng giới chính trị gia EU đang nỗ lực điều chỉnh một số quy định nhằm đảm bảo mức độ tái chế cao hơn - bao gồm cả pin từ kho lưu trữ và ô tô điện. Tesla và Volkswagen báo cáo họ đã có thể tái chế hơn 90% nguyên liệu trong pin của chính mình.Tất nhiên, không thể phủ nhận quy trình tái chế dễ dàng hơn khi tháo rời những viên pin 500kg và phân loại chúng thành đống nguyên liệu thô có thể sử dụng được so với khi xử lý hỗn hợp các loại pin nhỏ hơn - chẳng hạn như điện thoại di động và máy tính xách tay, có chứa nhiều loại kim loại khác nhau.

Cũng có nhiều cách khác để suy nghĩ về việc tuần hoàn của pin ô tô điện: Khi khả năng sạc trở nên quá kém đối với pin sử dụng trên ô tô, chúng có thể được sử dụng cho những việc khác như dự trữ năng lượng trong các nhà máy pin mặt trời nhỏ tại địa phương. Một đống pin đã qua sử dụng có thể tạo thành một bộ lưu trữ cục bộ từ 10 đến 15 năm trước khi cần phải tháo rời pin và sử dụng lại nguyên liệu thô. Bằng cách kéo dài tuổi thọ pin theo cách này, chúng ta cũng có thể câu giờ cho việc phát triển những cách rẻ hơn và tốt hơn cho phép tái chế nguyên liệu thô.

Nhóm nhà khoa học Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge Mỹ (ORNL) phát triển một dung môi dẫn đến một quy trình thân thiện hơn với môi trường nhằm thu hồi vật liệu có giá trị từ pin lithium-ion đã qua sử dụng, hỗ trợ chuỗi cung ứng nội địa ổn định cho pin mới và loại bỏ pin cũ khỏi bãi chôn lấp. Pin đã qua sử dụng thường được phân hủy bằng cách sử dụng quá trình nấu chảy - một quy trình tốn kém, tiêu tốn nhiều năng lượng và thải ra khí độc. Giải pháp thay thế do ORNL phát triển là quy trình hóa học ướt sử dụng photphat hòa tan vật liệu kết dính bám vào cực âm của bộ thu dòng điện lá kim loại trong pin Li-ion. Kết quả là thu hồi hiệu quả cực âm dựa trên coban, than chì và vật liệu có giá trị khác như lá đồng có thể được thay thế trong pin mới.

Ilias Belharouak của ORNL cho biết: “Với dung môi này, chúng tôi có thể tạo ra một quy trình làm giảm phơi nhiễm độc hại cho người lao động và phục hồi cực âm NMC [niken-mangan-coban] có giá trị mà không bị hư hại hoạt động, lá kim loại sạch và vật liệu khác có thể dễ dàng tái sử dụng trong pin mới”.