Hàng triệu chiếc xe điện sắp ra đời. Chuyện gì xảy ra với những bộ pin chết?

Ian Morse | DCVOnline

Bộ pin của Tesla Model S là một kỳ công của kỹ thuật phức tạp. Hàng nghìn cục pin nhỏ hình trụ với nhiều thành phần có nguồn gốc từ khắp nơi trên thế giới biến lithium và electron thành năng lượng đủ để đẩy chiếc xe đi hàng trăm km lặp đi lặp lại mà không phát ra khí thải. Nhưng khi pin chết thì những lợi ích xanh của nó sẽ mờ dần.

Đống vụn của pin xe điện có một số kim loại có thể tái chế, nhưng những công ty sản xuất pin rẻ hơn nếu dùng nguyên liệu mới. ARGONNE NATIONAL LABORATORY

Chuyên gia khoa học vật liệu Dana Thompson thuộc Đại học Leicester lên tiếng cảnh giác nếu cuối cùng pin nằm ở bãi rác, những cục pin nhỏ có thể thải ra chất độc đáng ngại, gồm cả kim loại nặng. Và tái chế pin có thể là một hoạt động kinh doanh nguy hiểm. Cắt quá sâu vào những cục pin nhỏ của Tesla, hoặc không đúng chỗ, có thể gây ra mạch chập, cháy và thải ra khói độc.

Làm thế nào để tái chế hàng triệu pin xe điện (EV) mà những công ty sản xuất định sản xuất trong vài thập kỷ tới chỉ là một trong rất nhiều vấn đề phải đối phó. Đó là thách đố mà giới nghiên cứu  đang phải giải quyết, kể cả Thompson, người đang cố gắng tìm giải pháp tốt nhất cho việc tái chế pin xe điện. Thompson, một thành viên nghiên cứu tại Viện Faraday, một trung tâm nghiên cứu tập trung vào các vấn đề về pin ở Anh quốc, nói pin xe điện “thực sự không sản xuất để có thể tái chế”.

Đó không phải là vấn đề khi EV (xe điện) còn rất hiếm. Nhưng bây giờ kỹ thuật đang cất cánh.

Một số công ty sản xuất EV cho biết họ có kế hoạch loại bỏ dần máy nổ trong vòng vài chục năm tới và giới phân tích trong ngành dự đoán sẽ có ít nhất 145 triệu chiếc EV trên đường vào năm 2030, so với chỉ  có 11 triệu chiếc năm ngoái.

Thompson nói: “Mọi người bắt đầu nhận ra đây là một vấn đề.”

Chính phủ đang tiến tới việc yêu cầu có một mức độ tái chế trong việc sản xuất pin cho EV. Năm 2018, Trung Hoa đã áp đặt các quy định mới nhằm thúc đẩy việc tái sử dụng các thành phần của pin của EV. Liên minh châu Âu dự đinh hoàn thành những yêu cầu đầu tiên trong năm nay. Tại Hoa Kỳ, chính phủ liên bang vẫn chưa thúc đẩy các quy định về việc tái chế, nhưng một số tiểu bang, kể cả California — thị trường xe tự động lớn nhất Mỹ — đang thăm dò việc đặt ra các quy tắc của riêng họ.

Tuân theo những quy định đó không  phải là việc dễ dàng. Pin khác nhau rất nhiều về hóa học và cấu tạo, gây khó khăn cho việc tạo ra các hệ thống tái chế có hiệu quả. Và pin nhỏ thường được dán với nhau bằng keo rất chắc, khó tách rời. Đó là một phần trở ngại về mặt kinh tế: Giới sản xuất pin thường mua kim loại mới khai thác, rẻ hơn so với việc dùng lại vật liệu tái chế.

Chuyên gia khoa học vật liệu Dana Thompson pha chế dung môi chiết xuất các kim loại quý giá từ pin EV đã sử dụng. FARADAY INSTITUTION

Giới nghiên cứu cho rằng, các phương pháp tái chế tốt hơn sẽ không nhửng chỉ ngăn ngừa được ô nhiễm mà còn giúp chính phủ phát triển kinh tế và an ninh quốc gia bằng cách tăng nguồn cung cấp kim loại quan trọng để chế tạo pin hiện do một hoặc một số quốc gia kiểm soát. Gavin Harper, chuyên gia nghiên cứu của Đại học Birmingham, người nghiên cứu các vấn đề chính sách về xe điện cho biết,

“Một mặt, [vứt bỏ pin EV] là một vấn đề giải quyết chất thải. Và mặt khác, đó là cơ hội để sản xuất một dòng vật liệu quan trọng thứ cấp bền vững.”

Gavin Harper

Để thúc đẩy việc tái chế, chính phủ và kỹ nghệ đang đầu tư vào một loạt các sáng kiến ​​nghiên cứu. Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã bơm khoảng 15 triệu đô la vào Trung tâm ReCell để điều hợp nhưng nghiên cứu của các chuyên gia khoa học trong giới hàn lâm, kỹ nghệ và tại các phòng thí nghiệm của chính phủ. Chính phủ Anh ủng hộ ReLiB, một dự án của nhiều tổ chức. Linda Gaines, làm việc về tái chế pin tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của DOE ở Mỹ, cho biết khi ngành kỹ nghệ xe điện phát triển mạnh, nhu cầu tiến bộ trở nên cấp thiết hơn. Bà mói, “Chúng ta càng có thể làm cho mọi thứ đi nhanh hơn càn tốt.”

Bộ pin của EV được chế tạo giống như những con búp bê lồng vào nhau. Thường, một khối pin lớn gồm một số bộ phận nhỏ hơn, mỗi bộ phận nhỏ đó lại gồm nhiều cục pin nhỏ hơn nữa (xem hình bên dưới). Bên trong mỗi cục pin nhỏ, các nguyên tử lithium di chuyển trong chất điện phân giữa cực dương bằng than chì và cực âm, làm bằng một oxit kim loại. Pin thường được xác định bằng kim loại trong cực âm. Có ba loại chính: nickel-cobalt-aluminum, sắt-photphat, và nikel-maganese-cobalt.

Hiện nay, các công ty tái chế đa số nhắm đến các kim loại ở cực âm, chẳng hạn như cobalt và nikel, có giá cao. (Lithium và graphite quá rẻ, tái chế không mang lại hiệu quả kinh tế.) Nhưng vì trọng lượng nhỏ, thu lại những kim loại này giống như tìm kim trong đống cỏ khô: khó tìm và khó phục hồi.

Đời mới cho pin đã sử dụng

Khoa học gia đang nỗ lực để bảo đảm pin xe điện (EV) đang được bán hiện nay có thể được tái chế vào năm 2030 và sau đó, khi đã có hàng nghìn cục pin chết mỗi ngày. Pin EV có nhiều kiểu, nhưng nhìn chung chúng có chung các phần tử này.

Pin xe điện (EV). C. BICKEL/SCIENCE

Để lấy ra được những cây kim đó, những công ty tái chế dựa vào hai kỹ thuật, luyện kim và luyện kim dùng hỗn hợp hóa chất. Phổ biến hơn là luyện kim, ở những công ty tái chế, những cục pin nhỏ trước nhất được cắt thành những mảnh vụn và sau đó đốt, còn lại một khối nhựa, kim loại và keo đã cháy. Đến giai đoạn này những công ty tái chế có thể dùng một số phương pháp để chiết xuất kim loại, gồm cả việc đốt cháy thêm. Gaines cho biết: “Về cơ bản, Pyromet là tiến trình coi pin như một loại quặng” đào được ở mỏ. Mặt khác, luyện kim bằng hoá chất ở thể lỏng là ngâm vật liệu pin trong acid, làm thành một món súp đầy kim loại. Đôi khi họ kết hợp cả hai phương pháp luyện kim.

Mỗi tiến trình luyện kim đều có ưu điểm và nhược điểm. Ví dụ: luyện kim bằng nhiệt không đòi công ty tái chế phải biết mẫu mã hoặc thành phần của pin, hoặc ngay cả việc nó đã hoàn toàn hét năng lượng hay chưa, để tiến hành một cách an toàn. Nhưng kỹ thuật này tốn nhiều năng lượng. Thủy luyện kim có thể chiết xuất kim loại không khó lấy được bằng cách đốt cháy, nhưng nó cần dùng đến những hóa chất nguy hiểm cho sức khỏe. Và việc lấy lại được các nguyên tố từ nồi súp hóa học có thể khó khăn, mặc dù giới nghiên cứu đang thí nghiệm với các hợp chất hứa hẹn sẽ hòa tan được một số kim loại trong pin nhưng lại để một số kim loại khác ở dạng rắn, giúp việc tinh lọc dễ dàng hơn. Ví dụ, Thompson đã xác định được một hỗn hợp acid và base được gọi là dung môi eutectic sâu, có thể hòa tan mọi thứ trừ nikel.

Nghiên cứu đã cho thấy cả hai kỹ thuật luyện kim nói trên đều tạo ra chất thải lớn và phát thải khí nhà kính. Và như vậy mô hình kinh doanh có thể bị lung lay: Hầu hết các hoạt động phụ thuộc vào việc bán cobalt lấy ra được để duy trì hoạt động kinh doanh, nhưng các công ty sản xuất pin đang cố gắng chuyển hướng không dùng loại kim loại tương đối đắt tiền đó. Chuyên gia khoa học vật liệu Rebecca Ciez thuộc Đại học Purdue cho biết: Nếu việc đó xảy ra, những công ty tái chế có thể phải cố gắng bán hàng đống “đất”.

Những vòng tái chế

Luyện kim nung chảy pin đã dung thành xỉ, và luyện kim bằng hợp chất hóa học hòa tan chúng trong acit. Cả hai đều nhằm mục đích tách các vật liệu làm catốt. Lý tưởng nhất là tái chế trực tiếp, sẽ khôi phục lại cực âm nguyên vẹn. Nhưng để có thể tái chế, nó phải có giá thành cạnh tranh được với các vật liệu khai thác từ mỏ.

Kỹ thuật tái chế: luyện kim, luyện kim bằng hỗ hợp hóa học, tái chế trực tiếp. C. BICKEL/SCIENCE

LÝ TƯỞNG là tái chế trực tiếp, sẽ giữ cho hỗn hợp của cực âm (cathode) nguyên vẹn. Điều đó hấp dẫn đối với giới sản xuất pin vì những cực âm tái chế sẽ không phải đi qua một tiến trình tinh lọc và tái tạo rắc rối, tốn kém, Gaines lưu ý (mặc dù các nhà sản xuất vẫn có thể phải hồi sinh cathode bằng cách thêm một lượng nhỏ lithium).

“Vì vậy, nếu bạn đang nghĩ về nền kinh tế vòng tròn, [tái chế trực tiếp] là một vòng tròn nhỏ hơn pyromet (luyện kim) hoặc hydromet (luyện kim dung hỗn hợp hóa chất).”

Linda Gaines

Trong kỹ thuật tái chế trực tiếp, đầu tiên công nhân sẽ hút sạch chất điện phân và cắt nhỏ nhữn cục pin nhỏ. Sau đó, họ sẽ loại chất kết hợp bằng nhiệt hoặc dung môi, và sử dụng kỹ thuật thả nổi để tách các vật liệu của cực dương và cực âm. Tại giai đoạn này, vật liệu của cathode trông giống như bột phấn cho trẻ em.

Cho đến nay, các thí nghiệm tái chế trực tiếp chỉ tập trung vào những cục pin nhỏ và chỉ thu được chừng chục gram bột cathode. Nhưng giới nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ đã xây dựng các mô hình kinh tế cho thấy kỹ thuật này, nếu được thực hiện quy mô trong những điều kiện thích hợp, có thể hữu dụng trong tương lai.

Tuy nhiên, để có thể tái chế trực tiếp, giới sản xuất pin, nhà tái chế và giới nghiên cứu cần phải giải quyết một loạt các vấn đề khác. Một là bảo đảm nhưng công ty sản xuất phải dán nhãn pin của họ, để những công ty tái chế biết họ đang tái chế loại pin nào — và liệu kim loại ở cực âm có giá trị không. Với sự thay đổi nhanh chóng của thị trường pin, Gaines lưu ý, loại cực âm sản xuất ngày hôm nay có thể không tìm được người mua trong tương lai. Các công ty tái chế sẽ “phục hồi một con khủng long. Sẽ không ai muốn mua khủng long.”

Một kỹ thuật viên ở Đức đảm bảo rằng pin lithium-ion đã đốt cháy được xả hết trước khi tái chế tiếp. WOLFGANG RATTAY / REUTERS

Một thách thức khác là mở pin EV một cách hiệu quả. Có thể mất 2 giờ để tháo dỡ pin hình chữ nhật Leaf của Nissan. Những cục pin nhỏ của Tesla không chỉ độc đáo với dạng hình trụ mà còn ở chất keo dán chúng lại với nhau là polyurethane gần như không thể phá hủy được.

Giới làm nghiên cứu lưu ý rằng, các kỹ sư có thể chế tạo ra những con robot có thể tăng tốc độ tháo rời pin, nhưng vấn đề về vẫn còn ngay cả khi đã vào được bên trong cục pin. Đó là vì còn nhiều keo đã dùng để giữ cực dương, cực âm và các thành phần khác ở yên tại chỗ. Một loại dung môi mà những công ty tái chế sử dụng để hòa tan chất kết dính cathode độc ​​hại đến mức Liên minh Châu Âu đã đưa ra các hạn chế về việc sử dụng nó, và năm ngoái, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đã xác định rằng nó gây ra “rủi ro không đáng có” cho người lao động. Andrew Abbott, chuyên gia hóa học tại Đại học Leicester và cố vấn của Thompson cho biết.

“Về mặt kinh tế, phải tháo rời chúng… [và] nếu muốn tháo rời, thì bạn phải loại bỏ keo.”

Andrew Abbott

ĐỂ GIẢN DỊ HÓA TIẾN TRÌNH, Thompson và các nhà nghiên cứu khác đang thúc giục giới sản xuất EV – và pin bắt đầu vẽ mẫu những sản phẩm của họ nên lưu ý đến việc tái chế. Theo Abbott, loại pin lý tưởng sẽ giống như một chiếc bánh Giáng sinh của Anh quốc, một món quà ngày lễ bật ra khi người nhận kéo ở hai đầu, sẽ thấy kẹo hoặc tin nhắn. Ví dụ, ông đưa ra Blade Battery, một loại pin lithium ferrophosphate do BYD, một nhà sản xuất xe điện của Trung Hoa chế tạo vào năm ngoái. Bộ pin này loại bỏ thành phần mô-đun, thay vào đó lưu trữ các cục pin nhỏ, phẳng, ngay ở bên trong. Các cục pin nhỏ có thể được loại bỏ dễ dàng bằng tay mà không cần phải vất vả với dây và keo.

Pin Blade hiệu quả hơn trong việc sử dụng thể tích của cả bộ pin hơn mẫu dùng mô-đun. https://medium.com

Pin Blade xuất hiện sau khi Trung Hoa vào năm 2018 bắt đầu yêu cầu giới sản xuất xe điện có trách nhiệm bảo đảm pin phải được tái chế. Quốc gia này hiện tái chế nhiều pin lithium-ion hơn so với tất cả nhưng quốc gia khác trên thế giới cộng lại, phần lớn họ dùng các phương pháp luyện kim và luyện kim dung hỗn hợp hóa chất.

Những quốc gia đang áp dụng  chính sách tương tự sẽ gặp phải một số câu hỏi hóc búa. Thompson nói, một là ai phải chịu trách nhiệm chính trong việc tái chế.

“Đó có phải là trách nhiệm của tôi vì tôi đã mua [một chiếc xe điện] hay là trách nhiệm của công ty sản xuất vì họ đã làm ra nó và đang bán nó?”

Dana Thompson

Liên minh Châu Âu,  có thể có một câu trả lời vào cuối năm nay, khi giới hữu trách đưa ra quy tắc đầu tiên của lục địa này. Và vào năm tới, một hội đồng chuyên gia do tiểu bang California thành lập định ​​sẽ cân nhắc để đưa ra các đề nghị có thể có ảnh hưởng lớn đến bất kỳ chính sách nào của Mỹ.

Trong khi đó, giới nghiên cứu cho biết việc tái chế pin hiệu quả đòi hỏi nhiều hơn là chỉ có những tiến bộ kỹ thuật. Tốn phí cao cho việc vận chuyển những chất dễ cháy trên đường dài hoặc xuyên biên giới có thể sẽ không khuyến khích việc tái chế. Harper nói, kết quả là, việc đặt các trung tâm tái chế ở đúng chỗ có thể có “tác động lớn. Nhưng sẽ có một thách thức thực sự trong việc tích hợp hệ thống và tập hợp tất cả các phần nghiên cứu khác nhau này lại với nhau.”

Abbott nói: Không có nhiều thời gian để lãng phí. Ông nói: “Điều bạn không muốn là phải mất 10 năm sản xuất một cục pin không thể tách rời được. Nó vẫn chưa xảy ra — nhưng mọi người đang hét lên và lo lắng nó sẽ xảy ra.”

Có khoảng 1 triệu pin xe điện tại châu Âu trong 10 năm 2020-2030, cếu chồng lên nhay sẽ cao gấp 600 lần tháp Eiffel. https://www.solvay.com

Tác giả | Ian Morse là một nhà báo ở Seattle. Bài báo đã đăng ở mục: Engineering, của ScienceMag, doi: 10.1126 / science.abj5426

© 2021 DCVOnline

Nếu đăng lại, xin ghi nguồn và đọc “Thể lệ trích đăng lại bài từ DCVOnline.net


Nguồn: Millions of electric cars are coming. What happens to all the dead batteries? | Ian Morse | ScienceMag.org | May 21, 2021. Posted in: Engineering | doi:10.1126/science.abj5426