Tái chế pin xe điện để giảm phụ thuộc vào nguyên liệu thô

Trong bối cảnh thị trường xe điện toàn cầu ngày càng phát triển, nhu cầu về pin xe điện cũng không ngừng tăng lên. Mặc dù doanh số bán xe điện có sự chậm lại ở một số quốc gia, nhưng nhu cầu về pin đã tăng khoảng 40% trên toàn cầu vào năm ngoái và dự báo sẽ tiếp tục tăng với tốc độ tương tự. Một câu hỏi lớn đặt ra là: liệu chúng ta có đủ nguyên liệu thô để sản xuất pin xe điện trong tương lai? Câu trả lời cho vấn đề này có thể nằm ở tái chế, một giải pháp đầy tiềm năng đang được các nhà khoa học và kỹ sư nghiên cứu phát triển.

Lithium là thành phần chính trong pin lithium-ion (Li-ion) – loại pin phổ biến nhất thị trường xe điện hiện nay. Theo dự báo, nhu cầu về lithium sẽ vượt mức 2,4 triệu tấn vào năm 2030, gấp đôi so với hiện tại. Tuy nhiên, 70% trữ lượng lithium của thế giới tập trung chủ yếu ở Argentina, Úc và Chile. Điều này có nghĩa là mặc dù các quốc gia này có nguồn tài nguyên dồi dào, việc chế biến lithium để sử dụng trong pin lại bị chi phối bởi Trung Quốc, quốc gia đang thống trị cả quy trình chế biến các nguyên liệu quan trọng khác như mangan, cobalt và gần như toàn bộ graphite dùng trong sản xuất pin.



Sự phụ thuộc này đã làm dấy lên lo ngại về tính dễ bị tổn thương của chuỗi cung ứng toàn cầu. Liệu một ngày nào đó Trung Quốc có thể hạn chế nguồn cung những nguyên liệu thô này, như đã từng làm với các nguyên liệu khác trước đây? Trước mối lo này, các nhà lập pháp và hãng xe tại châu Âu và Bắc Mỹ đang nỗ lực thiết lập các nguồn cung cấp pin tại địa phương để giảm bớt sự phụ thuộc.

Lithium, mangan và cobalt là những nguyên liệu chính được sử dụng để sản xuất điện cực gọi là cathode, bộ phận đắt đỏ nhất trong một pin Li-ion. Khi pin được sạc lại, các electron sẽ bị tách ra khỏi nguyên tử lithium tại cathode, tạo ra các hạt tích điện gọi là ion. Các ion này sẽ di chuyển qua một dung môi điện ly (thường là chất lỏng) đến điện cực thứ hai gọi là anode. Anode được làm từ graphite, một dạng carbon tinh khiết. Trong khi đó, các electron tạo ra tại cathode sẽ di chuyển dọc theo dây dẫn của mạch sạc về phía anode, nơi chúng kết hợp lại với các ion và được lưu trữ. Khi pin xả năng lượng, quy trình này đảo ngược, với các electron trong mạch sẽ cung cấp năng lượng cho thiết bị, mà trong trường hợp của xe điện là động cơ điện. Dù có thể sử dụng nhiều loại hóa học khác nhau, mangan và cobalt đặc biệt hiệu quả trong việc ổn định và tăng cường hiệu suất của pin Li-ion.

Một tin vui là các đột phá gần đây trong công nghệ tái chế và hàng loạt cải tiến kỹ thuật có thể mang đến một tương lai mà phần lớn nhu cầu nguyên liệu thô để sản xuất pin xe điện sẽ được đáp ứng từ việc tái chế pin cũ. Dự kiến, vào khoảng năm 2040, có thể đến 60% nguyên liệu dùng để sản xuất pin tại châu Âu sẽ đến từ việc tái chế pin cũ, theo nghiên cứu từ công ty PwC. Các nhà phân tích toàn cầu cũng đồng ý với quan điểm này. Việc khai thác nguyên liệu thô cho sản xuất pin có thể đạt đỉnh vào giữa thập niên 2030, sau đó giảm dần nhờ sự phát triển của công nghệ tái chế và những tiến bộ trong hóa học pin. Thậm chí, đến năm 2050, chúng ta có thể không còn phải khai thác khoáng sản cho sản xuất pin nữa.

Hiện tại, việc tái chế pin chủ yếu tập trung vào tái chế nguyên liệu từ các phế liệu do các nhà máy sản xuất pin tạo ra. Tuy nhiên, khi các xe điện đầu tiên đạt đến vòng đời cuối cùng, sẽ có một nguồn pin cũ khổng lồ để tái chế. Tuy vậy, quá trình tái chế pin gặp không ít khó khăn. Một số phương pháp đòi hỏi lao động thủ công, trong khi các phương pháp khác lại tiêu tốn rất nhiều năng lượng hoặc gây hại cho môi trường.



Ví dụ, để thu hồi lithium từ pin cũ, cần sử dụng quá trình gọi là hydrometallurgy, trong đó pin được nghiền nát và xử lý bằng các hóa chất mạnh gọi là lixiviants. Một số loại hóa chất này chứa axit đậm đặc, tiềm ẩn rủi ro đối với môi trường và sức khỏe con người. Việc xử lý chúng an toàn cũng làm gia tăng chi phí tái chế. Tuy nhiên, các giải pháp an toàn hơn đang được nghiên cứu. Một trong những phương pháp tiên tiến là sử dụng dung môi sinh học phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice, Mỹ, có khả năng phân hủy sinh học và không gây độc hại.

Điều thú vị là các nhà khoa học tại Đại học Rice đã tìm ra cách đẩy nhanh quá trình này bằng cách… sử dụng lò vi sóng. Họ phát hiện rằng một thành phần của dung môi tên là choline chloride có khả năng hấp thụ sóng vi ba rất tốt, giúp dung môi nóng lên nhanh chóng và tách lithium từ pin cũ trong thời gian ngắn. Nghiên cứu đã chứng minh rằng chỉ cần 30 giây trong lò vi sóng, 50% lượng lithium có thể được thu hồi, và sau 15 phút, con số này có thể lên tới 87%. Đây là một bước tiến đáng kể so với phương pháp truyền thống cần đến 12 giờ để thu hồi lượng lithium tương tự.

Không chỉ lithium, các thành phần khác của pin cũng đang được chú ý. Graphite, vật liệu chính trong cực dương (anode), chiếm khoảng 50% thể tích pin. Việc thu hồi graphite từ pin cũ để tái sử dụng cũng gặp nhiều thách thức do yêu cầu độ tinh khiết cao (trên 99,95%). Tuy nhiên, công ty Talga của Úc đã phát triển quy trình tinh lọc graphite để tái sử dụng trong sản xuất pin, hứa hẹn mở ra cánh cửa mới cho việc tái chế và giảm thiểu phụ thuộc vào khai thác.

Với những bước tiến trong công nghệ tái chế, chuỗi cung ứng pin có thể trở nên tuần hoàn hơn, giúp sản xuất pin tại các địa phương trở nên khả thi hơn, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các quốc gia khác và hạn chế tác động đến môi trường. Việc này không chỉ giúp ngành công nghiệp xe điện phát triển bền vững hơn mà còn giúp người lái xe điện có thể tự hào rằng họ thực sự đang góp phần bảo vệ môi trường.

Theo Economist.