Tái chế pin lithium-ion: Hướng đi xanh cho nền kinh tế năng lượng tuần hoàn

Sự phát triển mạnh mẽ của xe điện trong thập kỷ qua đã đưa pin lithium-ion trở thành một trong những công nghệ cốt lõi của quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu.

Tuy nhiên, khi ngày càng nhiều pin bước vào giai đoạn cuối vòng đời sử dụng, bài toán xử lý và tái chế loại vật liệu này đang trở thành một thách thức lớn đối với môi trường và chuỗi cung ứng tài nguyên.

BÀI TOÁN LỚN TỪ LƯỢNG PIN THẢI CỦA KỶ NGUYÊN XE ĐIỆN

Pin lithium-ion hiện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ thiết bị điện tử cá nhân đến xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Nhờ mật độ năng lượng cao và khả năng sạc lại nhiều lần, công nghệ này đã trở thành nền tảng của quá trình điện khí hóa trong giao thông và năng lượng.

Tuy nhiên, vòng đời trung bình của pin lithium-ion thường chỉ kéo dài từ 5- 8 năm trong điều kiện sử dụng thông thường. Sau giai đoạn này, dung lượng pin suy giảm đáng kể và không còn đáp ứng được yêu cầu vận hành của xe điện hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng.

Không chỉ là vấn đề môi trường, pin lithium-ion còn chứa nhiều kim loại có giá trị kinh tế cao như lithium, cobalt, nickel và manganese. Đây đều là những nguyên liệu quan trọng đối với ngành công nghiệp năng lượng mới và đang được xem là các kim loại chiến lược trong chuỗi cung ứng toàn cầu. Nếu không được tái chế, các kim loại này không chỉ bị lãng phí mà còn có thể gây ô nhiễm đất và nguồn nước do sự rò rỉ của các hợp chất kim loại nặng.

Trong bối cảnh nhu cầu pin cho xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng tăng mạnh, việc thu hồi và tái sử dụng các vật liệu này ngày càng trở nên quan trọng. Nhiều nghiên cứu cho thấy trong vài thập kỷ tới, nếu không mở rộng mạnh mẽ các hệ thống tái chế, nguồn cung của một số kim loại như cobalt và lithium có thể đối mặt với nguy cơ thiếu hụt khi nhu cầu tăng nhanh.

PHƯƠNG PHÁP TÁI CHẾ “SỦI BỌT” CHỈ SỬ DỤNG CO₂ VÀ NƯỚC

Trước những thách thức đó, các nhà khoa học tại Chinese Academy of Sciences đã phát triển một phương pháp tái chế pin lithium-ion hoàn toàn mới, được công bố trên tạp chí khoa học quốc tế uy tín Nature Communications.

Phương pháp này được mô tả như một quy trình “sủi bọt”, bởi quá trình chiết tách lithium diễn ra tương tự như cách tạo ra nước giải khát có ga.

Quá trình bắt đầu bằng việc nghiền nhỏ vật liệu cực âm của pin đã qua sử dụng. Điều này làm phá vỡ cấu trúc tinh thể của vật liệu, khiến các nguyên tử lithium di chuyển ra bề mặt hạt và hình thành một lớp giàu lithium.

Trong khi đó, các kim loại khác như nickel và cobalt vẫn được giữ lại trong cấu trúc tinh thể ban đầu. Sự tách biệt này giúp quá trình chiết xuất lithium trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.

Sau bước xử lý cơ học, vật liệu được ngâm trong nước và khí carbon dioxide được bơm vào dung dịch. Khi hòa tan trong nước, CO₂ tạo ra một lượng nhỏ ion hydro. Các ion này phản ứng với lithium để tạo thành dung dịch lithium bicarbonate.

Đáng chú ý, quá trình này gần như không ảnh hưởng đến các kim loại khác trong vật liệu.

Theo nhóm nghiên cứu, hiệu suất chiết xuất lithium đạt hơn 95%. Đây là mức hiệu suất rất cao so với nhiều phương pháp tái chế pin hiện nay. Sau khi thu được dung dịch lithium bicarbonate, các nhà khoa học chỉ cần gia nhiệt để chuyển hóa thành lithium carbonate - một nguyên liệu quan trọng trong sản xuất pin lithium-ion mới. Độ tinh khiết của lithium carbonate thu được đạt trên 99,5%, đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp cho sản xuất pin.

HƯỚNG TỚI NỀN KINH TẾ TUẦN HOÀN CHO NGÀNH PIN

Một điểm đáng chú ý của công nghệ mới là gần như không tạo ra chất thải. Phần vật liệu rắn còn lại sau khi tách lithium không bị loại bỏ mà có thể được tận dụng như một vật liệu xúc tác hiệu suất cao cho các phản ứng điện hóa.

Theo các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, vật liệu này có thể hoạt động ổn định trong hơn 200 giờ mà không suy giảm đáng kể hiệu suất. Điều này cho thấy quá trình tái chế không chỉ thu hồi lithium mà còn giúp nâng cấp giá trị của các kim loại còn lại trong pin. Các nhà nghiên cứu cho rằng cách tiếp cận này có thể trở thành một bước tiến quan trọng hướng tới mô hình kinh tế tuần hoàn trong ngành pin lithium-ion.

Hiện nay, các phương pháp tái chế pin phổ biến chủ yếu dựa vào hai công nghệ chính: luyện kim nhiệt và luyện kim thủy. Trong luyện kim nhiệt, pin được nung chảy ở nhiệt độ rất cao - thường vượt quá 1.000°C - để tách kim loại. Phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng và có thể phát sinh khí thải.

Trong khi đó, luyện kim thủy sử dụng nhiều loại axit mạnh để hòa tan kim loại, dẫn đến việc tạo ra lượng lớn nước thải hóa học. So với các công nghệ trên, phương pháp mới có ưu điểm là sử dụng ít hóa chất, vận hành trong điều kiện nhẹ và giảm đáng kể tác động môi trường.

Ngoài ra, quy trình này còn có tiềm năng tận dụng khí CO₂ từ các nguồn công nghiệp, giúp giảm phát thải carbon trong quá trình sản xuất.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định thử nghiệm việc sử dụng trực tiếp khí thải công nghiệp chứa nồng độ CO₂ thấp để vận hành quy trình tái chế. Nếu được thương mại hóa thành công, công nghệ này có thể giúp giải quyết đồng thời hai vấn đề lớn: tái chế pin và tận dụng khí thải carbon.