Pin của xe điện sẽ đi về đâu?

Nếu đưa vào bãi rác, các tế bào pin có thể thải ra các chất độc, bao gồm kim loại nặng. Và tái chế pin cũng là một ngành kinh doanh nguy hiểm, nhà khoa học vật liệu Dana Thompson, Đại học Leicester, cảnh báo: cắt quá sâu vào tế bào pin hoặc cắt không đúng chỗ có thể gây đoản mạch, bốc cháy và giải phóng khói độc.

Đó chỉ là một trong số rất nhiều vấn đề liên quan đến pin xe điện mà các nhà nghiên cứu, bao gồm cả Thompson, đang tìm cách giải quyết: làm thế nào để tái chế hàng triệu pin xe điện mà các nhà sản xuất xe dự kiến ​​sẽ tạo ra trong vài thập kỷ tới. Thompson, cũng là thành viên nghiên cứu tại Viện Faraday - một trung tâm nghiên cứu các vấn đề về pin ở Vương quốc Anh, cho biết, pin xe điện hiện tại "thực sự không được thiết kế để tái chế".

Đây không phải là vấn đề nếu như xe điện (EV) không phổ biến trên thị trường. Nhưng bây giờ thị trường xe điện đang phát triển. Một số nhà sản xuất ô tô cho biết họ có kế hoạch loại bỏ dần động cơ đốt trong vòng vài thập kỷ tới, và các nhà phân tích trong ngành dự đoán sẽ có ít nhất 145 triệu chiếc xe điện được tung ra thị trường vào năm 2030, gấp hàng chục lần so với chỉ 11 triệu chiếc vào năm ngoái. Thompson nói: “Mọi người bắt đầu nhận ra pin EV là một vấn đề".

Các chính phủ đang tiến tới việc yêu cầu các nhà sản xuất xe có trách nhiệm nhất định trong việc tái chế pin EV. Năm 2018, Trung Quốc đã áp đặt các quy định mới nhằm thúc đẩy việc tái sử dụng các thành phần pin EV. Liên minh Châu Âu dự kiến ​​sẽ hoàn thành các yêu cầu đầu tiên đối với pin EV trong năm nay. Tại Mỹ, Chính phủ liên bang vẫn chưa đưa ra các quy định về tái chế, nhưng một số bang, bao gồm California - thị trường ô tô lớn nhất nước - đang nghiên cứu để đặt ra các quy tắc của riêng họ.

Nhưng ngay cả khi đã có quy định, các nhà sản xuất cũng sẽ rất khó tuân thủ, vì tái chế pin EV là một bài toán khó về mặt kinh tế. Các loại pin EV khác nhau sẽ khác nhau rất nhiều về hóa học và cấu tạo, và sẽ rất khó để tạo ra một hệ thống tái chế hiệu quả cho tất cả các loại pin. Ngoài ra, các tế bào pin thường được kết dính với nhau bằng keo cứng, rất khó tách rời. Tất cả những yếu tố kỹ thuật này góp phần gây ra trở ngại kinh tế: mua kim loại mới để sản xuất pin EV còn rẻ hơn so với tái chế.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng, các phương pháp tái chế pin hiệu quả hơn sẽ không chỉ ngăn ngừa ô nhiễm mà còn giúp các chính phủ tăng cường kinh tế và an ninh quốc gia, nhờ việc tận dụng được nguồn kim loại quý - vốn do một số quốc gia kiểm soát. “Một mặt, [vứt bỏ pin EV] thuộc vấn đề quản lý chất thải. Mặt khác, đó là cơ hội để sản xuất ra một tài nguyên thứ cấp quan trọng và bền vững", theo Gavin Harper, nhà nghiên cứu của Đại học Birmingham, người nghiên cứu các vấn đề về chính sách xe điện.

Để bắt đầu tái chế pin, các chính phủ và ngành công nghiệp đang bỏ tiền vào một loạt các sáng kiến ​​nghiên cứu. Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã đầu tư khoảng 15 triệu USD vào Trung tâm ReCell - có nhiệm vụ điều phối các nghiên cứu về pin của các nhà khoa học, ngành công nghiệp và các phòng thí nghiệm của chính phủ. Vương quốc Anh đã đầu tư vào dự án ReLiB, một chương trình hợp tác đa tổ chức về nghiên cứu pin. Linda Gaines, người làm việc về tái chế pin tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, thuộc DOE, cho biết, khi ngành công nghiệp EV phát triển mạnh mẽ, việc nghiên cứu tái chế pin ngày càng gấp rút.

Pin EV thường gồm nhiều lớp. Thông thường, lớp ngoài cùng chứa một số mô-đun, mỗi mô-đun lại gồm nhiều tế bào pin nhỏ hơn. Bên trong mỗi tế bào pin, các nguyên tử lithium di chuyển qua một chất điện phân giữa cực dương - than chì, và cực âm - một oxit kim loại. Loại pin thường được xác định bởi kim loại sử dụng trong cực âm. Hiện nay có ba loại chính: niken-coban-nhôm; sắt-phốt phát; và niken-mangan-coban.

Các nhà tái chế chủ yếu nhắm đến tái chế các kim loại ở cực âm, chẳng hạn như coban và niken, là các kim loại có giá cao. (Lithium và than chì thì quá rẻ, tái chế không mang lại hiệu quả kinh tế.) Nhưng vì chỉ tồn tại trong pin với số lượng nhỏ.

Để gom các kim loại này từ pin, các nhà tái chế dựa vào hai kỹ thuật, được gọi là luyện kim và luyện kim nước. Luyện kim là kỹ thuật phổ biến hơn: Những người tái chế đầu tiên sẽ cắt nhỏ các tế bào pin rồi đốt cháy nó, để lại một khối lượng nhựa, kim loại và keo bị cháy. Khi đó, họ có thể sử dụng một số phương pháp để chiết xuất kim loại. Gaines nói: “Về cơ bản, luyện kim là cách xử lý pin như thể nó là một loại quặng từ một mỏ khai thác". Ngược lại, luyện kim nước ngâm vật liệu pin trong các vũng axit, tạo ra một hỗn hợp đầy kim loại, sau đó là chiết xuất. Đôi khi hai phương pháp này được kết hợp với nhau.

Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm. Ví dụ: luyện kim không yêu cầu người tái chế phải biết thiết kế hoặc thành phần của pin, hoặc thậm chí liệu nó đã được xả hoàn toàn hay chưa, để tạo ra axit thích hợp và an toàn. Nhưng nó tốn nhiều năng lượng để chạy các dây chuyền cắt và đốt cháy. Luyện kim nước có thể chiết xuất các vật liệu không dễ dàng thu được thông qua đốt cháy, nhưng lại cần các hóa chất gây nguy hiểm cho sức khỏe. Và việc thu hồi các nguyên tố kim loại mong muốn từ hỗn hợp có thể khó khăn (các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm một số hợp chất axit mới, hòa tan một số kim loại pin nhưng để lại các kim loại khác ở dạng rắn, giúp dễ thu gom hơn. Ví dụ, Thompson đã xác định được một ứng viên là dung môi eutectic sâu, có thể hòa tan mọi thứ trừ niken).

Nhưng các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả hai quá trình đều tạo ra nhiều chất thải và phát thải khí nhà kính. Và mô hình kinh doanh cũng không bền vững: Hầu hết các hoạt động tái chế phụ thuộc vào việc bán coban thu hồi được để duy trì hoạt động kinh doanh, nhưng các nhà sản xuất pin đang cố gắng tìm cách tránh sử dụng loại kim loại tương đối đắt tiền đó.

Lý tưởng nhất là thực hiện được quy trình tái chế trực tiếp: giữ cho hỗn hợp cực âm nguyên vẹn để đưa thẳng trở lại sử dụng trong pin. Kỹ thuật này rất hấp dẫn đối với các nhà sản xuất pin, vì họ sẽ không phải xử lý thêm quá nhiều để đưa cực âm trở lại vào pin mới (nếu chỉ tái chế kim loại như hiện nay, các nhà sản xuất vẫn phải đưa kim loại thu gom được vào quy trình sản xuất cực âm từ đầu), Gaines lưu ý, chỉ cần thêm một lượng nhỏ lithium. “Vì vậy, nếu nói về nền kinh tế vòng tròn, thì tái chế trực tiếp là một vòng tròn nhỏ hơn so với luyện kim hoặc luyện kim nước".

Trong quá trình tái chế trực tiếp, đầu tiên công nhân sẽ hút sạch chất điện phân và cắt nhỏ các tế bào pin. Sau đó, họ sẽ loại bỏ chất kết dính bằng nhiệt hoặc dung môi, và sử dụng kỹ thuật tuyển nổi để tách các vật liệu cực dương và cực âm. Tại thời điểm này, vật liệu cực âm trở thành giống như bột.

Cho đến nay, các thí nghiệm tái chế trực tiếp mới chỉ thực hiện trên từng tế bào pin, và chỉ thu được hàng chục gam bột cực âm. Nhưng các nhà 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 nhân rộng trong các điều kiện thích hợp, có thể khả thi trong tương lai.

Tuy nhiên, để thực hiện tái chế trực tiếp, các nhà sản xuất pin, nhà tái chế và các nhà nghiên cứu cần giải quyết một loạt các vấn đề. Một là các nhà sản xuất phải dán nhãn pin của họ, để các nhà tái chế biết họ đang xử lý loại tế bào pin nào - và liệu kim loại cực âm có giá trị hay không. Với sự thay đổi nhanh chóng của thị trường pin, Gaines lưu ý, các cực âm được sản xuất ngày nay có thể không còn được sử dụng trong tương lai. Các nhà tái chế sẽ thu về một sản phẩm mà chẳng còn ai cần.

Một thách thức khác là làm thế nào để tháo dỡ các loại pin EV với các cấu trúc khác nhau một cách hiệu quả. Chẳng hạn, mô-đun pin hình chữ nhật của Nissan có thể mất 2 giờ để tháo dỡ. Các tế bào pin của Tesla thì có hình trụ độc đáo, và sử dụng xi măng polyurethane gần như không thể phá hủy để kết dính các thành phần pin.

Các nhà nghiên cứu lưu ý, các kỹ sư có thể tạo ra những con robot tháo dỡ mô-đun pin, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề nữa bên trong tế bào pin: nhiều loại keo được sử dụng để giữ các cực dương, cực âm và các thành phần khác. Một loại dung môi mà các nhà tái chế sử dụng để hòa tan chất kết dính cực âm độc hại đến mức Liên minh Châu Âu đã đưa ra các hạn chế sử dụng và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ năm ngoái đã xác định rằng nó gây ra “rủi ro không đáng có” cho người lao động.

“Về mặt kinh tế, phải tháo rời được pin, và muốn tháo rời thì phải ngừng sử dụng keo”, Andrew Abbott, nhà hóa học tại Đại học Leicester và cố vấn của Thompson, cho biết.

Để thúc đẩy tái chế, Thompson và các nhà nghiên cứu khác đang thúc giục các nhà sản xuất xe điện và pin bắt đầu thiết kế các sản phẩm thân thiện với quy trình tái chế hơn. Ví dụ, Blade Battery, một loại pin lithium ferrophosphate của BYD, một nhà sản xuất EV ở Trung Quốc, ra mắt vào năm ngoái, có các tế bào pin có thể được tách rời dễ dàng bằng tay.

Pin Blade xuất hiện sau khi vào năm 2018, Trung Quốc bắt đầu yêu cầu các nhà sản xuất xe điện có trách nhiệm đảm bảo pin có thể tái chế. Quốc gia này hiện tái chế nhiều pin lithium-ion hơn so với phần còn lại của thế giới cộng lại, chủ yếu sử dụng các phương pháp luyện kim và luyện kim nước.

Các quốc gia đang áp dụng các chính sách tương tự phải đối mặt với một số câu hỏi hóc búa. Đầu tiên, ai là người phải chịu trách nhiệm chính trong việc tái chế? “Đó là trách nhiệm của tôi vì tôi đã mua xe điện hay trách nhiệm của nhà sản xuất vì họ đã làm ra xe và đang bán xe?”, Thompson nói.