Pin lithium đã đang có mặt trong rất nhiều thiết bị hiện đại, tuy nhiên lượng nguyên liệu thô chế tạo chúng hữu hạn, mà quá trình khai thác vướng phải nhiều khúc mắc về môi trường, con người và kinh tế. Tái chế có thể trở thành cứu cánh đắc lực cho ngành công nghiệp, thế nhưng một nghiên cứu mới lại vừa làm sáng tỏ thực trạng đáng buồn.
Lithium, bên cạnh nhiều kim loại quý giá khác, có giá trị rất cao. Cùng một khối lượng nhưng giá trị lithium thô gấp bảy lần chì, có điều pin chì-acid vẫn được tái chế với số lượng lớn, còn pin lithium bị thất sủng trên vòng xoay của tái sử dụng. Rõ ràng, quyết định tái chế pin lithium bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố hơn là kinh tế.
Có lý do chính đáng để giải thích cho sự chậm trễ trong tái chế lithium. May thay, đã xuất hiện những công ty quyết tâm thay đổi điều đó. Họ đặt mục tiêu biến dây chuyền tái chế pin lithium-ion vào thành một phần không thể thiếu của năng lượng tái chế và năng lượng sạch.
Vậy khác biệt giữa hai loại pin lithium và chì lớn nhường nào? Tính riêng tại thị trường Bắc Mỹ năm 2021, giá thành trung bình của một tấn lithium chạm mốc 17.000 USD, gấp 7 lần con số 2.425 USD/tấn của nguyên liệu chì. Báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đồng thời cho thấy chi phí nguyên vật liệu thô đã chiếm nửa tổng chi phí chế tạo pin lithium-ion.
Sự mất cân bằng còn được thể hiện tại sản lượng hai thứ kim loại. Theo báo cáo của Cơ quan Khảo sát Địa Chất Hoa Kỳ, sản lượng lithium toàn cầu nằm ở khoảng 89 triệu tấn, đa phần tới từ Nam Mỹ. Trong khi đó, sản lượng chì toàn cầu ngất ngưởng ở mức 2 tỷ tấn. Đáng lẽ thứ kim loại ít ỏi phải được chú trọng tái chế để dùng lâu dài, nhưng thực tế không được như tưởng tượng.
Một nghiên cứu đăng tải trên Tạp chí Viện Khoa học Ấn Độ cho thấy tại cả Mỹ và Châu Âu, lượng pin lithium-ion được tái chế chỉ vỏn vẹn ở mức 1%, quá thấp khi ta thấy 99% pin acid-chì được đưa lên dây chuyền phục vụ mục đích tái sử dụng. Cũng theo nghiên cứu đáng suy ngẫm, hoạt động tái chế gặp phải nhiều thử thách, từ việc công nghệ pin tiến bộ quá nhanh cho tới những bộ luật quản lý vật liệu độc hại.
Emma Nehrenheim, giám đốc môi trường của doanh nghiệp pin Northvolt, nêu nhận định: đa số người dùng cho rằng chì sẽ sớm biến mất khỏi dây chuyền sản xuất. Thế mà chỉ số kinh tế xoay quanh thứ vật liệu thô độc hại vẫn cứ tăng đều, cô Nehrenheim khẳng định thành công của chì tới từ tỷ lệ tái chế cao.
Giáo sư Gupta nhận định pin lithium-ion “đâu cũng có mặt, với đủ mọi loại kích cỡ”. Chưa hết, tốc độ phát triển của công nghệ pin lithium quá cao, cứ vài năm pin sẽ lại thay đổi một lần. Nghịch lý đã rõ: pin lithium-ion đại trà, nhưng không được tái chế kịp hơn, hơn nữa chúng thay đổi quá nhanh khiến dây chuyền tái chế không kịp thích ứng.
Nhưng không tái chế không được. Pin sử dụng lithium giữ được nhiều năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích hơn hẳn pin acid-chì. Chúng là bước đệm tối quan trọng trong cắt bỏ khí thải carbon khỏi phương tiện giao thông, đồng thời giúp xã hội nhanh chóng chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo, sớm ứng dụng công nghệ điện gió và điện mặt trời.
Để đến được giai đoạn này, ta phải bỏ ra nỗ lực khổng lồ và đạt được những tiến bộ mang tính đột phá trong ngành lưu trữ năng lượng.
Tính từ năm 2020, lượng lithium tiêu thụ toàn cầu đã tăng thêm 33%. Nếu thỏa mãn mục đích chuyển đổi năng lượng sử dụng, từ đốt nhiên liệu sang sử dụng điện lưu trữ trong pin, nhu cầu sử dụng lithium sẽ tăng thêm 43 lần nữa (theo tính toán của IEA).
Lithium không phải vật liệu duy nhất sớm trở nên quý hiếm trong dây chuyền sản xuất pin. Cực âm và dương của thiết bị lưu trữ năng lượng còn được làm từ nhiều vật liệu khác, đơn cử như cobalt và kền. Vì thế việc tái chế được pin lithium-ion sẽ cùng lúc giải quyết nhiều vấn đề nan giải.
“Nếu như bạn muốn chế tạo một cục pin, thì một cục pin cũ đã đang chứa toàn bộ những thành phần cần thiết”, giám đốc Nehrenheim nhận định.
Báo cáo của Cơ quan Khảo sát Địa Chất Hoa Kỳ đồng thời chỉ tên hơn mười công ty Bắc Mỹ và Châu Âu hoặc đã có dây chuyền, hoặc sẽ lên kế hoạch tái chế pin lithium. Con số khiến người nghe lạc quan, khi vài năm trước số lượng nhà máy có thể tái chế pin chỉ dừng ở con số một.
Với những cơ sở tái chế pin đã đang tồn tại, quá trình xử lý truyền thống không đủ hiệu quả để chiết xuất lithium chất lượng cao dùng được trong tái chế. Ví dụ, phương pháp dùng nhiệt luyện pin vốn dễ tăng quy mô, ứng dụng được với bất cứ dạng pin nào, nhưng lại tốn kém năng lượng vô cùng vào quá trình nung chảy pin.
Lượng tro còn lại vẫn chứa nguyên vật liệu tái sử dụng được, nhưng phương pháp vẫn tạo ra lượng khói độc hại lớn, thậm chí tiêu hủy những vật liệu có tiềm năng tái chế được. Những phương pháp dùng chất hóa học để tách nguyên vật liệu khỏi pin vừa phức tạp, lại vừa kén đối tượng áp dụng.
Trở ngại lớn nằm ở việc phân tách thành phần của những hệ thống pin ngày một phức tạp. Pin ngày nay là tổ hợp của nhiều khoang, bảo bọc từng khối (cell) pin riêng lẻ; đây mới là nơi những kim loại quý giá nhất ẩn mình. Việc tách khối dù khả thi, nhưng vẫn nhiêu khê vô cùng, quy trình sẽ cần tự động hóa để đạt hiệu năng cao nhất.
“Việc tái chế những nguyên liệu này khá khó khăn”, giám đốc Nehrenheim nói. Công ty Northvolt đã đang đưa ra nhiều chương trình tái chế, bao gồm một nhà máy thử nghiệm đã hoạt động từ cuối 2020. Trong bản kế hoạch của công ty Thụy Điển còn bao gồm một nhà máy tái chế pin với công suất 125.000 tấn/năm, sẽ đi vào hoạt động trong năm 2023.
Giống đa số những công ty khác, dây chuyền của Northvolt không trực tiếp tái chế. Họ sẽ tháo dỡ pin lithium thành các khoang chứa cell pin, trước khi thực hiện bất cứ công đoạn nghiền, cắt hay xử lý hóa chất. Mùa thu năm ngoái, Northvolt sản xuất thành công hệ thống pin đầu tiên sử dụng vật liệu tái chế. Công ty còn đang tinh chỉnh một con robot tự hành tại nhà máy tái chế thử nghiệm, nhắm tới tự động hóa quy trình tháo dỡ pin.
Kế hoạch của Northvolt thành công khi và chỉ khi họ có thể cân chỉnh lại thị trường, đảm bảo dây chuyền tái chế trở thành một phần của hệ thống có quy mô toàn cầu, hậu thuẫn bởi những điều luật minh bạch.
“Nếu ngay lúc này có thể xây dựng một nhà máy tái chế dưới sự điều hành của Liên Hợp Quốc, chính phủ Scandinavia hoặc chính quyền Châu Âu, nhà máy sẽ được kiểm soát chặt chẽ”, cô Nehrenheim nhận định. “Nó sẽ có thể nhận tối đa sự hậu thuẫn từ phía chính quyền, để có được một dây chuyền vận hành an toàn”.
Năm 2015 là khi Ryan Melsert vẫn đang làm việc cho Tesla, ngay trước lúc công ty xe điện khánh thành nhà máy Gigafactory gần Nevada. Khi còn công tác, Melsert và một nhóm các kỹ sư đã thiết kế pin, thiết bị lắp ráp và mọi thứ liên quan khác trong dây chuyền của Gigafactory.
Với kinh nghiệm sản xuất và lắp ráp pin xe điện từ những khâu đầu tiên, CEO Melsert và nhóm kỹ sư đã có thể hiểu những bước cần phải đảo ngược để tối ưu quy trình tái chế pin. Pin hỏng, pin hết hạn sử dụng đều là những nguồn cung cấp kim loại quý giá.
“Đa phần công nghệ tái chế ngày nay ném thẳng pin vào lò nóng và nung chảy nó ra, hoặc ném vào máy nghiền để xé tan pin”, anh Melsert nói. “Việc chúng tôi là lùi lại một bước để đánh giá, đảo ngược nhiều quy trình sản xuất pin vốn do chính chúng tôi thiết kế cho Gigafactory, để thực sự thu hồi được nguyên liệu theo những cách thức có chiến lược hơn, qua đó giảm chi phí và tăng tỷ lệ thu được thành phẩm”.
Theo lời CEO của ABTC, tháo dỡ pin ngược với quy trình sản xuất sẽ giúp khâu trích xuất kim loại dễ dàng hơn.
Quá trình tái chế pin bao gồm hai bước chính là tháo rời và xử lý bằng chất hóa học. ABTC đang xây dựng cơ sở tái chế đầu tiên tại Nevada, ước tính chỉ cần 3 giờ có thể thu hồi vật liệu dùng được cho pin tái chế. Dự kiến, nhà máy sẽ hoàn thành vào cuối năm 2022, nhận xử lý 20.000 tấn vật liệu trong một năm. Nếu đúng kế hoạch đề ra, sản lượng kim loại tái chế được sẽ bằng 1/5 tổng số lithium thô khai thác được trong năm 2021.
Dù công nghệ pin phát triển nhanh (tuy chưa đủ), tuổi thọ ngày một cao của pin lithium có thể giúp các nhà máy tái chế tùy chỉnh dây chuyền sao cho phù hợp. Thiết bị điện tử có thể sử dụng pin lithium nhiều năm trời trước khi cần thay pin mới, nhờ đó những công ty tái chế như ABTC có thể dự trù những bước đi trong tương lai. “Có độ trễ nhất định. Chúng tôi sẽ có thể theo dõi [chất lượng pin] thực tế một thời gian dài trước khi pin cần được tái chế”.
Có một cách để dễ dàng tích hợp dây chuyền tái chế vào dây chuyền sản xuất, đó là sẵn sàng tính tới khả năng tái chế của sản phẩm ngay từ đầu. Cách tiếp cận này ngày một phổ biến, khi các nhà sản xuất và tái chế chung tay kiếm lời, cùng lúc đó thải ra ít phế liệu nhất có thể.
Trong một nền kinh tế tuyến tính, pin hết điện sẽ ra thẳng bãi rác. Nhưng khi xoay vòng được nền kinh tế như một dòng điện khép kín, pin sẽ được tái chế thành nguyên vật liệu thô, lập tức trở lại dây chuyền sản xuất. “Một khi những kim loại được lấy lên khỏi mặt đất, về cơ bản bạn có thể tái chế chúng vĩnh viễn”, anh Melsert nói. Trên lý thuyết, mọi công ty tham gia mô hình đều có thể kiếm được lợi nhuận, đồng thời không phát sinh rác thải và không lãng phí nguyên vật liệu.
Mô hình tái chế mới sẽ đảm bảo nguồn cung lâu dài, giảm được chi phí và có tiềm năng hạn chế tối đa ảnh hưởng tới môi trường nhờ cắt giảm hoạt động khai khoáng. Melsert cho rằng để đạt được mục tiêu này, cần phát triển mối quan hệ ở mọi khâu xử lý sản phẩm, từ tinh luyện quặng thô, lắp pin vào thiết bị cho tới tái chế.
Để hiện thực hóa dự định này, ABTC tham gia đấu thầu và giành được bản hợp đồng trị giá 2 triệu USD từ Công xã Pin Tiên tiến Hoa Kỳ, với các thành viên bao gồm General Motors, Ford, Stellantis và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Trong 2 năm, ABTC sẽ nhận vốn để chứng minh khả năng sản xuất pin từ vật liệu tái chế, hiệu quả ở cả khía cạnh môi trường và kinh tế. Điều đó đồng nghĩa với việc ABTC sẽ làm việc với cả nhà sản xuất và nhà tái chế, bên cạnh đó được tiếp cận với những công nghệ pin tân tiến nhất.
Những đột phá trong công nghệ pin lithium-ion vẫn còn trong giai đoạn thai nghén, nhưng vẫn đã có những đột phá nhất định trong thập kỷ qua so với tiến trình phát triển của pin acid-chì. Trong khi ABTC đề ra một kế hoạch rất tham vọng, giáo sư Gupta cho rằng giải pháp sẽ chỉ có thể đạt quy mô cần thiết trong vòng một thập kỷ nữa.
Tuy nhiên, tác giả nghiên cứu mới vẫn lạc quan: “Với tư cách một nhà khoa học, tôi cho rằng chúng ta sẽ luôn tìm ra giải pháp”.
Tham khảo ArsTechnica
