Phát hiện vật liệu mới có thể giúp việc tái chế pin lithium-Ion rẻ hơn và ít độc hại hơn

Khôi Nguyên

05/02/2023

Tái chế pin lithium-ion cho ô tô điện và thiết bị điện tử tiêu dùng là ưu tiên cấp bách do nguồn cung cấp các kim loại đắt tiền như lithium, niken và coban trên toàn cầu đang khan hiếm, nhưng nó có một nhược điểm đó là các kỹ thuật hiện tại như đốt cháy có kiểm soát có thể giải phóng các hóa chất độc hại. Tuy nhiên, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, Mỹ, cho biết họ đã tìm ra một giải pháp đó là một loại vật liệu mới cho phép tái chế các tế bào lithium-ion cũ chỉ bằng nước. Nó có thể sớm làm cho việc tái chế pin trở nên rẻ hơn và an toàn hơn.

Giải pháp mới giúp tái chế pin lithium-ion cũ

Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley cho biết họ có một lựa chọn an toàn hơn, rẻ hơn trong tái chế pin.

Các tế bào pin sử dụng chất kết dính giống như keo để giữ cực âm tích điện dương và cực dương tích điện âm cùng nhau. Vật liệu của Lawrence Berkeley mới phát minh ra là một chất kết dính “giải phóng nhanh” được làm từ hai polymer phổ biến, chúng sẽ hòa tan khi được cho vào nước kiềm ở nhiệt độ phòng có chứa natri hydroxit. Các nhà nghiên cứu cho biết các kim loại của pin sau đó có thể được lọc ra khỏi dung dịch và sấy khô trong không khí. Không đốt cháy và không giải phóng chất độc.

Nghiên cứu đã được chuyển sang thử nghiệm thương mại với Onto Technologies, một công ty khởi nghiệp tái chế ở Bend, Oregon. Gao Liu, một nhà khoa học cấp cao tại phòng thí nghiệm Berkeley, cho hay nếu mọi việc suôn sẻ, vật liệu liên kết mới có thể bắt đầu được sử dụng trong pin lithium-ion trong vòng “2 đến 5 năm tới”.

Các nhà khoa học đã tạo ra chất kết dính giải phóng nhanh bao gồm Robert Kostecki, Gao Liu, Chen Fang và Muhammad Ihsan Ul Haq.

Các công ty bao gồm Redwood Materials, do đồng sáng lập Tesla JB Straubel dẫn đầu và Li-Cycle có trụ sở tại Toronto, đang huy động hàng tỷ USD để xây dựng các cơ sở tái chế quy mô lớn trên khắp Bắc Mỹ mà họ hy vọng một ngày nào đó sẽ định vị họ là nhà cung cấp chính kim loại hàng hóa điện. Điều đó có thể sẽ rất quan trọng khi hàng chục nhà máy pin mới được lên kế hoạch bởi các công ty bao gồm General Motors, Ford, Tesla, Toyota, Hyundai và Panasonic sẽ mở cửa trong vài năm tới.

Liu nói: “Nếu bạn nhìn vào lượng sản xuất lithium-ion trong thập kỷ tới, thì nó đang tăng lên khoảng 30% mỗi năm. Vì vậy, số lượng pin mà chúng ta cần tái chế trong mười năm sẽ trở thành một ngành kinh doanh đang phát triển như vậy”.

Mặc dù pin lithium-ion rất tốt trong việc loại bỏ khí thải từ ống xả và khí thải carbon làm nóng khí hậu, nhưng chúng lại bị bẩn khi đốt. Ví dụ, nếu một bộ pin Tesla bắt lửa, nó sẽ giải phóng một loạt chất độc hại và chất poly-fluoroalkyl, hoặc hóa chất PFAS, có liên quan đến một loạt vấn đề sức khỏe con người.

Một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley đang giữ các mẫu chất kết dính giải phóng nhanh được phát triển để tái chế pin lithium-ion an toàn hơn và rẻ hơn.

Đáng chú ý là chất kết dính của Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley không chứa hóa chất PFAS.

“Việc tạo ra một chất kết dính không có hóa chất PFAS rất khó, nhưng nó cực kỳ quan trọng đối với tương lai. Khách hàng không muốn chúng do mối liên hệ mới nổi với các vấn đề sức khỏe và tôi nghĩ rằng các cơ quan quản lý sẽ sớm đồng ý rằng chúng ta không thể tiếp tục sử dụng những hóa chất này”, Giám đốc điều hành của OnTo, Steve Sloop cho biết.

Theo Lawrence Berkeley, chất kết dính này có giá chỉ bằng 1/10 giá của hai loại chất kết dính thương mại được sử dụng phổ biến nhất. Và ngoài pin cho xe điện, nhóm tạo ra vật liệu này tin rằng nó có thể được sử dụng cho pin ở mọi kích cỡ, từ pin trong điện thoại di động đến pin lớn mà các tiện ích sử dụng để lưu trữ điện.

Lithium tốn rất nhiều tiền nhưng tại sao chúng ta không tái chế pin lithium?

Pin Lithium-ion hiện có ở khắp mọi nơi. Tuy nhiên, các vật liệu để tạo ra chúng là hữu hạn và việc tìm nguồn cung ứng chúng có ý nghĩa về môi trường, nhân đạo và kinh tế. Tái chế là chìa khóa để giải quyết những vấn đề đó, nhưng một nghiên cứu gần đây cho thấy thực tế thì hầu hết pin Lithium-ion không bao giờ được tái chế.

Lithium và một số kim loại khác tạo nên những loại pin này cực kỳ quý giá. Chi phí của lithium thô gấp khoảng bảy lần số tiền bạn phải trả cho cùng một trọng lượng bằng chì, nhưng không giống như pin lithium, hầu hết tất cả các loại pin axit-chì đều được tái chế.

Có những lý do chính đáng khiến việc tái chế pin lithium vẫn chưa xảy ra. Nhưng một số công ty mong muốn thay đổi điều đó, đó là một điều tốt vì việc tái chế pin lithium sẽ là một phần thiết yếu của quá trình chuyển đổi năng lượng tái tạo.

Sự chênh lệch giữa pin lithium và chì lớn đến mức nào? Vào năm 2021, giá trung bình của một tấn lithium cacbonat cấp pin là 17.000 USD so với 2.425 USD cho các thị trường dẫn đầu ở Bắc Mỹ và nguyên liệu thô hiện chiếm hơn một nửa chi phí pin, theo báo cáo năm 2021 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA).

Theo một báo cáo gần đây của Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ, các nguồn lithium toàn cầu lên tới 89 triệu tấn, hầu hết có nguồn gốc từ Nam Mỹ. Ngược lại, nguồn cung chì toàn cầu ở mức 2 tỷ tấn cao gấp 22 lần so với lithium.

Mặc dù nguồn cung cấp lithium nhỏ hơn, một nghiên cứu mới đây trên Tạp chí của Viện Khoa học Ấn Độ cho thấy chưa đến 1% pin Lithium-ion được tái chế ở Mỹ và EU so với 99% pin axit-chì thường được sử dụng trong các phương tiện chạy xăng và điện. Theo nghiên cứu, các thách thức tái chế bao gồm từ công nghệ pin không ngừng phát triển đến việc vận chuyển các vật liệu nguy hiểm tốn kém cho đến quy định không đầy đủ của chính phủ.

Emma Nehrenheim, giám đốc môi trường của công ty sản xuất pin Northvolt, cho biết mọi người đều mong đợi chì sẽ bị loại bỏ ngay bây giờ, nhưng và cho rằng thành công kinh tế liên tục của nó là nhờ tỷ lệ tái chế cao.

Nikhil Gupta, tác giả chính của nghiên cứu và là giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Trường Tandon cho biết: “Mỗi khi bạn mua pin cho ô tô của mình, bạn phải trả lại toàn bộ pin và sau đó nó sẽ được đưa vào chuỗi tái chế. Điều này không hiệu quả với pin lithium, một phần là do có quá nhiều định dạng tồn tại. Những cục pin này có ở khắp mọi nơi với các kích cỡ khác nhau. Một thách thức liên quan là công nghệ dành cho pin lithium thay đổi nhanh chóng cứ sau 1 đến 2 năm”.

Nhưng vượt qua những thách thức tái chế này là điều bắt buộc. Pin lithium chứa nhiều năng lượng hơn trong một gói nhỏ hơn khi so sánh với pin axit-chì. Chúng rất quan trọng đối với việc khử carbon trong giao thông vận tải và cho phép chuyển đổi rộng rãi sang năng lượng tái tạo bằng cách giúp đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng có thể dự đoán được từ gió và mặt trời không liên tục. Đạt được những chuyển đổi này trên quy mô toàn cầu là một công việc to lớn.

Gupta nói: “Điều đó sẽ đòi hỏi chúng tôi phải đạt được những tiến bộ lớn trong công nghệ pin. Không có nghi ngờ gì về điều đó”.

Theo đó, mức tiêu thụ lithium toàn cầu đã tăng 33% kể từ năm 2020. Nếu đạt được các mục tiêu năng lượng tái tạo đủ để ngăn chặn biến đổi khí hậu, thì nhu cầu về lithium dự kiến sẽ tăng gấp 43 lần, theo IEA. “Điều gì xảy ra nếu chúng ta không có nguồn cung cấp lithium?” Gupta nói. “Vẫn chưa có câu trả lời thực sự”.

Lithium không phải là vật liệu duy nhất có thể hạn chế việc sử dụng các loại pin này. Cực dương và cực âm của pin chứa các vật liệu cũng có khả năng bị cạn kiệt nguồn cung, như coban và niken. Vì vậy, tái chế có thể giúp giải quyết nhiều vấn đề về nguồn cung. Chính vì vậy, phát kiến mới từ các nhà khoa học tại Mỹ mới đây nếu thành công sẽ là một trong những hướng đi mới rất quan trọng với ngành pin thế giới trong tương lai.