“Cơn sóng thần” xe điện đang khơi dậy cuộc cách mạng tái chế pin toàn cầu như thế nào?

Thêm ô tô, thêm khoáng sản

Một công nhân tại cơ sở Kingston của Li-Cycle sử dụng thiết bị hỗ trợ nâng để di chuyển các mô-đun pin EV từ khung trượt đến băng tải. Ảnh: Global.

Pin của xe điện quá lớn, quá độc hại và quá giá trị để vứt đi. Cuộc cách mạng xe điện toàn cầu đã tạo ra một ngành tái chế mới với hy vọng tận dụng được vấn đề rác thải trong tương lai và giúp giải quyết tình trạng thiếu khoáng sản sắp xảy ra.

Ajay Kochhar, đồng sáng lập và Giám đốc điều hành của Li-Cycle, một nhà tái chế pin của Canada muốn đảm bảo các khoáng chất quý giá trong pin EV không bị lãng phí, cho biết: “Tôi coi đó như hoạt động khai thác đô thị”.

Ngày nay, có khoảng 20 triệu xe điện chở khách trên đường. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), mặc dù đó chỉ là một phần nhỏ trong đội xe toàn cầu nhưng con số đó có thể gấp 10 lần vào cuối thập kỷ này.

Các quốc gia bao gồm cả Canada, đã đặt ra các mục tiêu đầy tham vọng là tất cả doanh số bán ô tô mới đều không có khí thải vào cuối thập kỷ tới. Điều đó khiến các nhà sản xuất ô tô phải vật lộn để theo kịp nhu cầu, đồng nghĩa với việc phải đối mặt với nhiệm vụ khó khăn là tính toán lại đội xe và chuỗi cung ứng của họ.

Evan Pivnick, giám đốc chương trình tại Clean Energy Canada, một chuyên gia về động cơ đốt trong, nói: “Thực sự không có sự thay đổi nào về quy mô kể từ khi chúng ta chuyển từ xe ngựa sang động cơ đốt trong ban đầu, một quá trình kéo dài hơn 100 năm. Lần này, chúng ta đang cố gắng đạt được điều đó chỉ sau vài thập kỷ”.

Cung cấp năng lượng cho hầu hết các xe điện là bộ pin lithium-ion khổng lồ có thể nặng hơn 1.000 pound. Thành phần hóa học của pin thay đổi một chút, nhưng lithium, coban, niken, than chì và mangan được coi là rất quan trọng đối với các loại pin mới này.

Steven B. Young, nhà sinh thái học công nghiệp và phó giáo sư tại Đại học Waterloo, cho biết những khoáng chất này có quá nhiều trong lớp vỏ trái đất nhưng phân bố không đồng đều.

Một số quốc gia sản xuất nguồn cung cấp khoáng sản quan trọng cho thế giới. Lithium có nguồn gốc từ Úc và ngày càng nhiều từ Chile, Argentina và Bolivia - một khu vực ở Nam Mỹ hiện được mệnh danh là “tam giác lithium”. Trung Quốc sản xuất than chì, trong khi Cộng hòa Dân chủ Congo cung cấp coban.

Nhu cầu về khoáng sản dự kiến sẽ tăng vọt trong thời gian hai thập kỷ tới. IEA dự đoán nhu cầu niken và coban sẽ tăng lên hơn 60% và lithium gần 90%.

Vấn đề sẽ cản trở phong trào xe điện trong những năm tới là ngành khai thác mỏ toàn cầu không thể theo kịp. Trong kịch bản đáp ứng các mục tiêu của Thỏa thuận Paris, IEA ước tính rằng nguồn cung lithium và coban sẽ bị thiếu hụt vào năm 2030 - với các mỏ hiện nay chỉ có thể cung cấp khoảng một nửa nhu cầu cần thiết cho quá trình chuyển đổi năng lượng tổng thể.

“Một mỏ phải mất nhiều thời gian để xây dựng ở hầu hết các quốc gia”, Pivnick nói. “Vì vậy, chúng ta đã có sự khủng hoảng về cung và cầu như đã được dự báo trước”.

Có sự đồng thuận rằng cần phải khai thác nhiều hơn để khử carbon trong vận tải toàn cầu. Nhưng về lâu dài, ngay cả khi chúng ta có thể khai thác vô thời hạn, vẫn có câu hỏi là liệu chúng ta có nên làm như vậy không. Khai thác khoáng sản đi kèm với chi phí môi trường và con người nặng nề.

“Có một dạng cơ bản của sự đánh đổi hoặc mâu thuẫn”, Young nói. “Chúng ta cần nhiều thứ hơn để làm cho cuộc sống hiện đại bền vững hơn cho mọi người, nhưng vì nó phân tán không công bằng nên các tác động môi trường và xã hội cũng sẽ được phân bổ không công bằng”.

Đó là lúc việc tái chế xuất hiện. Một phần của giải pháp cho vấn đề cung cấp này nằm ở những gì xảy ra với pin xe điện khi chúng hết pin.

Theo truyền thống, pin đã được tái chế thông qua quá trình nấu chảy, một quá trình nấu chảy và chiết xuất ở nhiệt độ cao có thể thu hồi coban, niken và đồng nhưng không thu hồi được lithium, vốn bị đốt cháy. Đó là một phương pháp tiêu tốn nhiều năng lượng, có thể thải ra khói độc hại có hại cho con người và môi trường.

Những bể nước muối khổng lồ chứa lithium cacbonat và những đống sản phẩm phụ từ muối trải dài khắp một mỏ lithium ở sa mạc Atacama. Chile là nước sản xuất lithium lớn thứ hai thế giới sau Australia. Ảnh: Getty.

Trong 20 năm kể từ khi Sony phát hành pin lithium-ion có thể sạc lại đầu tiên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã phát triển những cách xanh hơn, hiệu quả hơn để tái chế chúng thông qua thủy luyện. Tuy nhiên, những đột phá về công nghệ trong lĩnh vực này vẫn chưa đủ để khởi động ngành tái chế pin lithium-ion ở Bắc Mỹ.

Xét cho cùng, pin cung cấp năng lượng cho thiết bị của chúng ta thường rất nhỏ và bạn sẽ cần tái chế rất nhiều pin để thu được lợi nhuận. Thay vào đó, pin cũ hoặc bị lỗi thường được chuyển đến Trung Quốc hoặc Hàn Quốc, những quốc gia có thị trường sản xuất và tái chế pin lâu đời.

Ô tô điện với các mô-đun pin cỡ chiếc cặp sẽ cung cấp cho thế hệ nhà tái chế Canada mới này nguồn dự trữ mà họ cần để vận hành các hoạt động thương mại và thu được lợi nhuận. Li-Cycle được coi là công ty tiên phong trong lĩnh vực tái chế pin lithium-ion ở quốc gia này và hiện đang mở rộng phạm vi hoạt động trên khắp Mỹ và Châu Âu với các nhà máy mới có công suất 10.000 tấn ở Alabama, Arizona, Na Uy và Đức.

Hiện tại, khối đen của Li-Cycle được bán cho các nhà cung cấp bên ngoài. Nhưng cuối năm nay, họ sẽ mở một nhà máy mới ở ngoại ô New York, nơi họ sẽ sản xuất nguyên liệu pin thô như lithium cacbonat, niken sunfat và coban sunfat. Nhà máy đó, được gọi là “trung tâm”, sẽ trở thành một trong những nguồn cung cấp lithium tái chế đầu tiên ở Bắc Mỹ.

Kochhar cho biết: “Chúng tôi đang thu được tới 95% vật liệu có thể phục hồi được từ những cục pin đó”.

Ở bờ biển phía tây, RecycLiCo sử dụng quy trình được cấp bằng sáng chế gồm 5 giai đoạn để thu hồi 100% khoáng chất trong khối đen. Tại nhà máy thí điểm ở Richmond, họ đang hoàn thiện việc lọc các khoáng chất từ khối đen trên quy mô lớn. Giám đốc điều hành Zarko Meseldzija đang đặt cược vào một tương lai trong đó các nhà sản xuất pin sẽ thực hiện quy trình tái chế tại các cơ sở mới của họ.

Cirba Solutions vận hành một cơ sở tái chế pin truyền thống ở Trail, nơi công ty đã tiếp nhận pin EV. Công ty có năm cơ sở khác ở Mỹ thực hiện giai đoạn tái chế đầu tiên và có kế hoạch bổ sung quy trình thủy luyện vào nhà máy hiện tại ở Ohio của họ trong năm nay.

David Klanecky, Giám đốc điều hành của Cirba Solutions, cho biết ông đang để mắt đến việc mở rộng sang Quebec vì tỉnh này đang dẫn đầu Canada về doanh số bán xe điện, chỉ đứng sau B.C.

General Motors có kế hoạch xây dựng một cơ sở sản xuất pin ở Bécancour, Quebec, và điều đó khiến thương vụ trở nên ngọt ngào hơn.

Klanecky nói: “Chúng tôi đang tích cực xem xét các khu vực ở khu vực Quebec để mở rộng dấu ấn của mình ở đó”.

Họ sẽ phải đối mặt với sự cạnh tranh gay gắt. Công ty Lithion Recycling có trụ sở tại Quebec đang xây dựng cơ sở thương mại quy mô đầy đủ đầu tiên tại đây, dự kiến sẽ hoàn thành vào cuối năm nay. Họ đang cấp phép quy trình băm nhỏ cơ học đã được cấp bằng sáng chế của mình cho bất kỳ ai muốn, mang lại cho các nhà tái chế ô tô cơ hội tham gia vào hoạt động kinh doanh tái chế pin và thiết lập một mạng lưới các nhà máy địa phương sẽ cung cấp khối lượng đen cho Lithion.

Công ty đã ký một thỏa thuận với GM để cung cấp cho họ các vật liệu tái chế cấp pin để sử dụng cho dòng xe điện mới.

Benoit Couture, Giám đốc điều hành của Lithion Recycling nói: “OEM hiểu tầm quan trọng của việc tái chế pin. Họ xem xét thời hạn sử dụng của pin và nói đó là cách để bảo vệ nguồn cung của tôi”.

Điều gì đằng sau sự bùng nổ tái chế pin

Những người thợ mỏ thủ công mang bao tải quặng chứa coban tại mỏ thủ công Shabara gần Kolwezi vào ngày 12 tháng 10 năm 2022. Congo sản xuất 72% lượng coban của thế giới vào năm 2021. Ảnh: Getty.

Các nhà sản xuất ô tô đã đầu tư hàng trăm triệu USD vào các nhà tái chế pin ở Canada. Họ có lợi ích đặc biệt là có được một mạng lưới tái chế địa phương, mạnh mẽ trong tầm tay, nơi họ có thể dỡ bỏ các sản phẩm bị loại bỏ trong khi có được nguồn cung cấp lithium, coban và niken ổn định.

Ngày nay, hầu hết hoạt động tinh chế khoáng sản và sản xuất pin đều diễn ra ở châu Á, đặc biệt là ở Trung Quốc. Nhưng căng thẳng địa chính trị và sự gián đoạn chuỗi cung ứng do lệnh phong tỏa nhằm ngăn chặn đại dịch COVID ở đó đã tạo ra động lực lớn để đưa ngành sản xuất pin về Bắc Mỹ.

Việc thông qua Đạo luật Giảm lạm phát của Mỹ càng tạo thêm động lực cho sự thay đổi này.

Các khoản tín dụng thuế đã thúc đẩy kế hoạch xây dựng một số nhà máy lớn, cơ sở khổng lồ để sản xuất pin xe điện tại Mỹ trong những năm tới. Tesla và Volkswagen cũng đã để mắt đến Canada để xây dựng các nhà máy lớn mới trong khu vực do quốc gia này có nguồn năng lượng thủy điện dồi dào.

Thuỷ điện thực sự quan trọng để đảm bảo rằng không chỉ sản xuất các phương tiện điện giúp cắt giảm đáng kể lượng khí nhà kính mà còn chế tạo pin và xe điện theo cách bền vững nhất có thể.

Mục tiêu là tạo ra một hệ sinh thái khu vực, nơi toàn bộ chuỗi giá trị - cung cấp năng lượng tái tạo, nguyên liệu thô, sản xuất pin, tái chế - kết hợp với nhau. Đó là ý nghĩa của mọi người khi đề cập đến việc phát triển “nền kinh tế tuần hoàn” xung quanh xe điện. Nó hứa hẹn sẽ giảm lượng khí thải nhà kính và chi phí của pin, điều mà các chuyên gia đồng ý cần phải xảy ra để làm cho xe điện rẻ hơn và đẩy nhanh việc áp dụng.

Các mô-đun ắc quy ô tô điện cũ hoặc bị lỗi sẽ di chuyển lên băng tải. Mỗi loại sẽ rơi vào dung dịch hóa học trước khi được cắt nhỏ. Ảnh: Global.

Giấc mơ tuần hoàn đó vẫn chưa thành hiện thực, nhưng nó có rất nhiều sự cường điệu và tiền ủng hộ nó. Cả chính phủ Mỹ và Canada đều đã đầu tư hàng tỷ USD vào việc thành lập lĩnh vực ô tô mới này ở Bắc Mỹ. Tái chế chỉ là một phần của tầm nhìn đó, mặc dù là một phần quan trọng.

“Có quá nhiều điều chưa biết cần được quyết định”, Pivnick nói. Dù vậy, Pivnick vẫn lạc quan. Năm ngoái, Canada đứng thứ hai trong bảng xếp hạng chuỗi cung ứng pin xe điện toàn cầu, vượt qua Mỹ và chỉ sau Trung Quốc.

Các nhà sản xuất xe khác nhau đã áp dụng các loại và cấu hình pin khác nhau. Lithium-ion là hóa chất được ưa chuộng hiện nay nhưng có rất nhiều đổi mới trong công nghệ pin. BMW gần đây tuyên bố sẽ sản xuất pin thể rắn của riêng mình, một loại công nghệ pin mới mà những người ủng hộ cho rằng hiệu quả hơn, an toàn hơn và tạo ra ít khí thải hơn pin lithium-ion.

Việc thu gom và vận chuyển pin cũng khó khăn và tốn kém về mặt hậu cần. Pin EV rất nặng và được phân loại là hàng nguy hiểm vì chúng tích điện đáng kể. Các bộ pin đặt ra một thách thức khác. Chúng được thiết kế để khó tháo dỡ, có lẽ là vì lý do an toàn, buộc các nhà tái chế phải tìm giải pháp thay thế như băm nhỏ toàn bộ mà không xả và tháo rời chúng.

Thách thức lớn nhất mà các nhà tái chế Canada cho biết họ phải đối mặt hiện nay là có đủ nguồn cung. Hiện tại, họ đang tồn tại nhờ phế liệu sản xuất pin, lỗi xe điện và pin tiêu dùng, như máy tính xách tay, điện thoại di động và dụng cụ điện. Loại pin hiện đang cung cấp năng lượng cho ô tô điện có tuổi thọ từ 10 đến 20 năm, lâu hơn dự kiến, nhưng ngành công nghiệp vẫn tự tin rằng đến năm 2030, sẽ có đủ pin để cung cấp cho mọi người.

Klanecky của Cirba Solutions cho biết: “Chúng tôi sẽ tăng công suất lên hơn 600% trong vòng 3 đến 4 năm tới so với mức chúng tôi hiện có ngày nay. Đó là điều khiến tôi thức nhiều đêm. Chúng ta phải xây dựng nhiều nhà máy hơn, nhanh hơn”.

Pivnick cho rằng khả năng mở rộng quy mô nhanh đến mức nào sẽ quyết định vai trò của vật liệu pin tái chế trong việc giảm nhu cầu khai thác lớn đến mức nào.

Điều tiết thị trường

Hình ảnh từ máy bay không người lái về quá trình xây dựng cơ sở ở Rochester, NY của Li-Cycle. Nhà máy sẽ hoạt động như một trung tâm khu vực, nơi khối lượng đen sẽ được xử lý thành vật liệu cấp pin. Ảnh: Li-Cycle.

Liên minh Châu Âu đã đạt đến giai đoạn đầu tiên của thỏa thuận quy định trách nhiệm của nhà sản xuất pin là xử lý pin khi pin hết tuổi thọ. Những luật như thế này đã tồn tại ở Canada đối với pin gia dụng và rác thải điện tử.

EU cũng đang xem xét yêu cầu lượng vật liệu tái chế tối thiểu trong pin mới: 16% đối với coban, 6% đối với lithium và 6% đối với niken. Đây sẽ là tin tốt cho các nhà tái chế, nhưng lại là thêm trở ngại cho các nhà sản xuất ô tô muốn ô tô được đưa ra khỏi dây chuyền sản xuất càng nhanh càng tốt.

Paterson, hãng sản xuất ô tô GM, cảnh báo rằng quá nhiều quy định diễn ra quá nhanh có thể gây bất lợi cho hoạt động kinh doanh và đổi mới. Ông trích dẫn một sai lầm mà chính phủ Quebec đã mắc phải hai năm trước khi xây dựng các quy định về những việc cần làm đối với pin xe điện hết tuổi thọ.

Paterson nói: “Có rất nhiều kiểu người đột ngột muốn điều chỉnh điều này bởi vì có quan niệm rằng nếu chúng ta không điều chỉnh điều này ngay lập tức, nó sẽ vượt quá tầm kiểm soát. Nó đang điều chỉnh một vấn đề chưa tồn tại. Chúng ta có chút thời gian để làm điều đó một cách đàng hoàng”.

Thời gian là áp lực mà nhiều nhà tái chế Canada và nhiều đơn vị khác trên thế giới cảm thấy họ đang phải đối mặt. Đó là một cuộc đua để xem năng lực công nghệ và mô hình kinh doanh của ai sẽ giành chiến thắng khi chuỗi cung ứng được củng cố và cơn sóng thần pin EV đổ bộ.