Pin lithium tốn kém như vậy, tại sao không tái chế chúng?

Ngành công nghiệp tái chế đang mới bắt đầu hình thành cần định nghĩa lại nhiều khái niệm đã tồn tại.

Pin lithium đã sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị hiện đại, nhưng nguồn nguyên liệu để sản xuất chúng có hạn, và quá trình khai thác gặp nhiều vấn đề về môi trường, con người và kinh tế. Tái chế có thể giúp cải thiện tình hình, nhưng một nghiên cứu mới tiết lộ một hiện trạng đáng buồn.

Lithium, cùng với nhiều kim loại quý khác, có giá trị rất cao. Mặc dù pin chì-acid có thể tái chế ở mức lớn, pin lithium vẫn chưa được chú trọng đúng mức. Lựa chọn tái chế pin lithium bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố hơn chỉ là về kinh tế.

Có nhiều lý do giải thích sự chậm trễ trong việc tái chế lithium. May mắn thay, đã có những công ty quyết tâm thay đổi điều đó. Họ nhấn mạnh mục tiêu biến dây chuyền tái chế pin lithium-ion thành một phần không thể thiếu của năng lượng tái chế và năng lượng sạch.

Vậy sự khác biệt giữa pin lithium và pin chì là gì? Tại thị trường Bắc Mỹ năm 2021, giá trung bình mỗi tấn lithium đạt 17.000 USD, gấp bảy lần so với giá trị 2.425 USD/tấn của chì. Báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cũng cho thấy rằng chi phí nguyên vật liệu thô chiếm nửa tổng chi phí sản xuất pin lithium-ion.

Sự mất cân bằng còn thể hiện ở mức độ sản xuất của hai kim loại. Theo báo cáo của Cơ quan Khảo sát Địa Chất Hoa Kỳ, sản lượng lithium toàn cầu chỉ đạt khoảng 89 triệu tấn, chủ yếu từ Nam Mỹ. Trong khi đó, sản lượng chì toàn cầu lên đến 2 tỷ tấn. Dường như kim loại ít phổ biến hơn cần được tái chế để sử dụng hiệu quả, nhưng hiện thực lại không như vậy.

Một nghiên cứu công bố trên Tạp chí Viện Khoa học Ấn Độ chỉ ra rằng tại cả Mỹ và Châu Âu, chỉ có khoảng 1% pin lithium-ion được tái chế, con số này quá thấp so với 99% pin acid-chì được tái sử dụng. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hoạt động tái chế đang đối mặt với nhiều thách thức, từ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ pin đến các quy định về vật liệu độc hại.

Emma Nehrenheim, giám đốc môi trường của Northvolt, một công ty sản xuất pin, nhận định: nhiều người tin rằng chì sẽ sớm biến mất khỏi chu trình sản xuất. Tuy nhiên, thực tế là chỉ số kinh tế vẫn tăng liên tục, và cô Nehrenheim cho rằng thành công của chì đến từ việc tái chế cao. 

Theo giáo sư Gupta, pin lithium-ion hiện có mặt ở mọi nơi, với nhiều loại kích cỡ khác nhau. Tuy nhiên, tốc độ phát triển của công nghệ pin lithium quá nhanh, chỉ trong vài năm là pin đã thay đổi một lần. Điều này tạo ra một nghịch lý: pin lithium-ion phổ biến, nhưng không được tái chế đúng mức, và chúng thay đổi quá nhanh khiến dây chuyền tái chế không thể thích ứng kịp thời.

Mặc dù pin sử dụng lithium giữ được nhiều năng lượng hơn trên mỗi đơn vị thể tích so với pin acid-chì, nhưng chúng lại đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lượng khí thải carbon từ phương tiện giao thông và thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo, như điện gió và điện mặt trời. 

Để đạt được điều này, chúng ta cần phải tiếp tục đầu tư lớn và đạt được những tiến bộ đột phá trong ngành lưu trữ năng lượng.

Tính từ năm 2020, lượng lithium tiêu thụ trên toàn cầu đã tăng thêm 33%. Nếu muốn đạt được mục tiêu chuyển đổi từ nhiên liệu sang năng lượng lưu trữ trong pin, nhu cầu về lithium có thể tăng thêm 43 lần nữa (theo tính toán của IEA). 

Lithium không phải là vật liệu duy nhất trở nên quý hiếm trong quá trình sản xuất pin. Các thành phần âm và dương của các thiết bị lưu trữ năng lượng cũng được làm từ nhiều vật liệu khác nhau, như cobalt và nickel. Vì vậy, việc tái chế pin lithium-ion sẽ giải quyết nhiều vấn đề khó khăn cùng một lúc.

“Nếu bạn muốn tạo ra một viên pin mới, thì một viên pin cũ đã chứa đựng đầy đủ các thành phần cần thiết”, giám đốc Nehrenheim nhận định.

Báo cáo từ Cơ quan Khảo sát Địa Chất Hoa Kỳ đã liệt kê tên của hơn mười công ty tại Bắc Mỹ và Châu Âu đã có hoặc đang lên kế hoạch tái chế pin lithium. Con số này làm cho mọi người cảm thấy lạc quan, bởi chỉ vài năm trước, chỉ có một số ít nhà máy tái chế pin.

Các cơ sở tái chế pin hiện có vẫn chưa đủ hiệu quả để chiết xuất lithium chất lượng cao từ pin cũ. Phương pháp truyền thống như nhiệt luyện pin tiêu tốn năng lượng lớn và không hiệu quả.

Lượng tro còn lại trong quá trình tái chế pin vẫn chứa các nguyên liệu có thể tái sử dụng được, nhưng các phương pháp hiện nay vẫn tạo ra lượng khói độc hại lớn và có thể tiêu hủy các vật liệu có khả năng tái chế.

Một trong những trở ngại lớn nhất là việc phân tách các thành phần của các hệ thống pin ngày càng phức tạp. Pin hiện nay thường bao gồm nhiều khoang riêng biệt, mỗi khoang chứa một cell pin và là nơi chứa nhiều kim loại quý.

“Việc tái chế những nguyên liệu này rất khó”, giám đốc Nehrenheim nói. Công ty Northvolt đã tiên phong trong việc đưa ra các chương trình tái chế, bao gồm một nhà máy thử nghiệm đã hoạt động từ cuối năm 2020.

Giống như đa số các công ty khác, dây chuyền của Northvolt không tái chế trực tiếp. Họ tháo dỡ pin lithium thành các khoang chứa cell pin trước khi tiến hành bất kỳ công đoạn nghiền, cắt hoặc xử lý hóa chất nào.

Kế hoạch của Northvolt chỉ thành công khi họ có thể điều chỉnh thị trường và đảm bảo rằng dây chuyền tái chế trở thành một phần của hệ thống toàn cầu, được hỗ trợ bởi các luật lệ minh bạch.

“Nếu có một nhà máy tái chế được điều hành bởi Liên Hợp Quốc, chính phủ Scandinavia hoặc chính quyền Châu Âu ngay bây giờ, nó sẽ được kiểm soát chặt chẽ”, cô Nehrenheim nhấn mạnh. “Nó sẽ được hưởng sự hỗ trợ tối đa từ các cơ quan chính phủ, để tạo ra một dây chuyền hoạt động an toàn”.

Năm 2015, khi Ryan Melsert làm việc tại Tesla, trước khi nhà máy Gigafactory gần Nevada được khánh thành, ông và một nhóm kỹ sư đã tham gia vào quá trình thiết kế pin và thiết bị lắp ráp tại nhà máy Gigafactory.

Với kinh nghiệm từ việc sản xuất và lắp ráp pin xe điện, CEO Melsert và nhóm kỹ sư của mình đã hiểu rõ quy trình cần phải đảo ngược để tối ưu hóa quá trình tái chế pin. Pin hỏng hoặc hết hạn sử dụng thường chứa đựng các kim loại quý.

“Công nghệ tái chế hiện nay thường chỉ đưa pin vào lò nung và nung chảy nó, hoặc đưa vào máy nghiền để nghiền nát pin”, ông Melsert nói. “Chúng tôi quyết định quay lại để đánh giá và đảo ngược quy trình sản xuất pin mà chúng tôi đã thiết kế cho Gigafactory, để thực sự thu hồi nguyên liệu một cách có chiến lược hơn, giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất”.

Theo CEO của ABTC, việc tháo dỡ pin ngược lại với quy trình sản xuất sẽ giúp trích xuất kim loại dễ dàng hơn.

Quá trình tái chế pin bao gồm hai bước chính là tháo rời và xử lý hóa chất. ABTC đang xây dựng cơ sở tái chế đầu tiên tại Nevada, dự kiến chỉ cần 3 giờ để thu hồi vật liệu từ pin tái chế. Dự kiến, nhà máy sẽ hoàn thành vào cuối năm 2022, có khả năng xử lý 20.000 tấn vật liệu mỗi năm. Nếu thực hiện đúng kế hoạch, lượng kim loại tái chế sẽ đạt tới 1/5 tổng lượng lithium khai thác được trong năm 2021.

Dù công nghệ pin đang phát triển mạnh mẽ nhưng tuổi thọ dài của pin lithium có thể giúp các nhà máy tái chế điều chỉnh dây chuyền để phù hợp. Thiết bị điện tử có thể sử dụng pin lithium trong nhiều năm trước khi cần thay pin mới, điều này giúp các công ty tái chế như ABTC có thể dự đoán tương lai và chuẩn bị cho nó.

Có một cách dễ dàng để tích hợp dây chuyền tái chế vào quy trình sản xuất là tính đến khả năng tái chế của sản phẩm ngay từ đầu. Cách tiếp cận này đang trở nên phổ biến hơn, khi các nhà sản xuất và tái chế cùng nhau tìm kiếm lợi nhuận mà không gây ra nhiều phế liệu như trước.

Trong một nền kinh tế tuyến tính, pin bị hỏng thường được bỏ vào bãi rác. Nhưng trong một nền kinh tế vòng tròn, pin có thể được tái chế ngay sau khi hỏng, trở lại dây chuyền sản xuất. “Khi các kim loại được khai thác ra khỏi mặt đất, bạn có thể tái chế chúng mãi mãi”, Melsert nói. Lý thuyết cho thấy mọi công ty tham gia vào mô hình này có thể thu lợi và không tạo ra rác thải cũng như không lãng phí nguyên liệu.

Mô hình tái chế mới sẽ đảm bảo nguồn cung lâu dài, giảm chi phí và giảm thiểu tác động môi trường bằng cách giảm hoạt động khai thác. Melsert cho rằng để đạt được điều này, cần phải phát triển mối quan hệ trong mọi giai đoạn xử lý sản phẩm, từ tinh luyện quặng đến tái chế.

ABTC đã giành được hợp đồng trị giá 2 triệu USD từ Công xã Pin Tiên tiến Hoa Kỳ, với các thành viên như General Motors, Ford, Stellantis và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Trong vòng 2 năm tới, ABTC sẽ chứng minh khả năng sản xuất pin từ vật liệu tái chế, có hiệu suất kinh tế và môi trường. Điều này đồng nghĩa với việc ABTC sẽ làm việc với nhà sản xuất và tái chế, cũng như tiếp cận các công nghệ pin tiên tiến nhất.

Mặc dù công nghệ pin lithium-ion vẫn đang phát triển, đã có những tiến bộ đáng kể so với pin acid-chì trong thập kỷ qua. Trong khi ABTC đề xuất một kế hoạch tham vọng, giáo sư Gupta tin rằng giải pháp chỉ có thể đạt được quy mô cần thiết trong một thập kỷ nữa.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn lạc quan: “Với tư cách là một nhà khoa học, tôi tin rằng chúng ta sẽ luôn tìm ra giải pháp”.

Tham khảo trên ArsTechnica