Một số nhà sản xuất ô tô cho biết họ đã lên kế hoạch loại bỏ động cơ đốt trong trong vòng vài thập kỉ tới. Các nhà phân tích trong ngành công nghiệp dự đoán rằng sẽ có ít nhất 145 triệu chiếc xe điện được tung ra thị trường vào 2030. Vậy khi các cell pin (tế bào pin) đã hỏng thì phải xử lý thế nào?
• Những điều cần biết khi sạc pin cho xe điện
• Một số thách thức của công nghệ sạc nhanh ô tô điện
Khi pin hết hạn sử dụng
Bộ pin của xe điện Tesla dòng S là kết quả của nhiều kĩ thuật phức tạp. Hàng nghìn cell pin hình trụ với thành phần có nguồn gốc từ khắp nơi trên thế giới, biến Liti và electron thành năng lượng cho xe chạy hàng trăm kilômét, lặp đi lặp lại như vậy mà không phát ra khí thải.
Nhưng khi pin hết hạn sử dụng, những lợi ích xanh của nó sẽ dần biến mất. Nếu chôn dưới đất, pin thải sẽ giải phóng ra những chất độc hại, trong đó có cả kim loại nặng. Và tái chế pin thải là một công việc nhiều rủi ro – theo lời cảnh báo của nhà khoa học vật liệu Dana Thompson đến từ đại học Leicester. Nếu ta cắt quá sâu vào một cell pin Tesla, hoặc cắt không đúng cách thì nó có thể gây ra ngắn mạch, bốc cháy và thải ra khói độc.
Thompson, một thành viên của đội nghiên cứu tại Viện Faraday – chuyên nghiên cứu các vấn đề về pin tại Vương Quốc Anh cho rằng những loại pin xe điện (pin EV) hiện nay “thực sự không được thiết kế để có thể tái chế”.
Vào thời điểm xe điện còn ít thì đó không phải là vấn đề đáng lưu tâm. Nhưng trong điều kiện hiện nay, công nghệ đang rất phát triển. Một số nhà sản xuất ô tô cho biết họ đã lên kế hoạch loại bỏ động cơ đốt trong trong vòng vài thập kỉ tới, các nhà phân tích trong ngành công nghiệp dự đoán rằng sẽ có ít nhất 145 triệu chiếc xe điện được tung ra thị trường vào 2030, tăng so với 11 triệu chiếc năm ngoái. “Mọi người đang bắt đầu nhận ra được rằng đây là một vấn đề”. Thompson nhấn mạnh.
Chính phủ phải vào cuộc
Chính phủ các nước đang tiến tới yêu cầu về việc tái chế ở một vài mức độ. Vào 2018, Trung Quốc đã áp dụng những quy định mới nhằm đẩy mạnh việc tái sử dụng các thành phần của pin EV. Liên minh châu Âu dự kiến sẽ hoàn thành những yêu cầu đầu tiên được đặt ra trong năm nay. Tại Hoa Kỳ, chính phủ liên bang vẫn chưa có động thái thúc đẩy các quy định về việc tái chế, nhưng tại một số bang, bao gồm Califonia – thị trường ô tô lớn nhất Hoa Kỳ đang tìm hiểu để đặt ra các nguyên tắc riêng.
Tuy nhiên việc tuân theo nguyên tắc lại không hề dễ dàng. Các loại pin có sự khác biệt rất lớn về thành phần hóa học và cấu tạo, những điều này gây khó dễ cho việc tạo ra được các hệ thống tái chế có hiệu quả.
Những cell pin thường được liên kết bằng các loại keo cứng khiến việc tách rời chúng trở nên khó khăn. Đồng thời điều đó đã gây ra trở ngại về kinh tế: việc mua các kim loại mới khai thác thường rẻ hơn so với việc sử dụng các nguyên vật liệu tái chế.
Các nhà nghiên cứu cho rằng, các phương pháp tái chế tốt hơn không chỉ ngăn ngừa ô nhiễm mà còn giúp chính phủ tăng nguồn thu và an ninh quốc phòng nhờ tăng lượng kim loại quan trọng trong sản xuất pin mà một hoặc một số quốc gia khác đang kiểm soát. “Một mặt, vứt bỏ pin EV là vấn đề quản lý chất thải. Mặt khác, đó là cơ hội để sản xuất dòng vật liệu thứ cấp quan trọng và bền vững”. Nhà nghiên cứu các chính sách về EV Gavin Harper tại đại học Birmingham cho biết.
Để bắt đầu tái chế, chính phủ và các ngành công nghiệp đang đầu tư vào một loạt các sáng kiến nghiên cứu. Bộ năng lượng Hoa Kì (DOE) đã chi khoảng 15 triệu $ vào Trung tâm Recell để hỗ trợ các nghiên cứu cho các nhà khoa học trong học viện, khu công nghiệp cũng như các phòng nghiên cứu của chính phủ. Vương quốc Anh đã ủng hộ Dự án ReLiB, một dự án đa tổ chức. “Khi ngành công nghiệp EV phát triển mạnh thì nhu cầu cải tiến trở nên cần thiết. Và chúng ta cần tiến hành điều đó càng sớm càng tốt”. Linda Gianes – nhân viên cell pin tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne – Bộ năng lượng Hoa Kì nhấn mạnh.
Lựa chọn tái chế những cell pin đã qua sử dụng
Nhiều nhà khoa học đang làm việc để đảm bảo rằng pin EV đang bán ra hiện nay có thể tái chế vào năm 2030, và hơn thế nữa khi mà hàng nghìn cell pin sẽ hết hạn sử dụng mỗi ngày.
Bộ pin EV được thiết kế lồng vào nhau. Thông thường, một bộ chính sẽ giữ vài mô đun khác, và mỗi mô đun lại bao gồm những cell pin nhỏ hơn (xem ở hình bên dưới). Trong mỗi cell pin, các nguyên tử Liti di chuyển qua bình điện phân, giữa cực dương làm bằng than chì và cực âm làm bằng oxit kim loại. Pin thường được gọi tên theo kim loại của bản cực âm. Có ba loại chính: Ni – Co – Al, FePO4 và Ni – Mn – Co.
Hiện nay, các nhà tái chế chủ yếu nhắm đến kim loại ở cực âm như Ni và Co vì chúng có giá cao. (Liti và than chì quá rẻ để tái chế, không mang lại hiệu quả kinh tế). Nhưng vì số lượng nhỏ nên các kim loại này rất khó để tìm ra và phục hồi.
Để chiết xuất được những kim loại có giá trị, các nhà tái chế dựa vào hai kỹ thuật là nhiệt luyện và thủy luyện. Phổ biến hơn là nhiệt luyện, người ta sẽ cắt rời từng cell pin sau đó đốt cháy nó để còn một khối gồm nhựa cháy, kim loại và keo. Khi đó, họ sử dụng một số phương pháp để chiết xuất kim loại, bao gồm cả việc đốt cháy thêm. Về cơ bản, nhiệt luyện pin như nhiệt luyện quặng được lấy ra từ mỏ. Ngược lại, thủy luyện ngâm pin trong một bể axit, tạo ra dung dịch muối kim loại. Đôi khi cả 2 phương pháp này được kết hợp với nhau.
Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm. Ví dụ như nhiệt luyện, người tái chế không cần biết thiết kế hoặc thành phần của pin hay thậm chí pin đã xả để đảm bảo an toàn hay chưa. Nhưng phương pháp này tốn nhiều năng lượng. Thủy luyện có thể chiết xuất được những kim loại mà khi đốt cháy khó thu được, nhưng nó liên quan đến các hóa chất gây hại cho sức khỏe. Và việc thu hồi các kim loại từ trong dung dịch khá khó khăn, và các nhà khoa học đang thử nghiệm với các hợp chất có thể hòa tan một số kim loại trong pin nhưng để lại các nguyên tố khác ở dạng rắn, khiến chúng dễ phục hồi hơn.
Thompson đã tìm ra một dung môi, là hỗn hợp của axit và bazơ, được gọi là dung môi eutectic sâu, có thể hòa tan mọi thứ trong pin trừ Ni.
Theo nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, cả hai phương pháp đều thải ra lượng chất thải lớn và khí nhà kính. Và việc kinh doanh cũng đang dần có vấn đề: hầu hết nguồn thu đến từ việc bán Co đã tái chế, nhưng các nhà sản xuất pin đang cố gắng chuyển hướng sang thứ kim loại khác đỡ tốn kém hơn. “Nếu điều đó xảy ra, những người tái chế chẳng khác nào đang cố gắng bán hàng đống ‘chất thải’ ” – Rebecca Ceiz – nhà khoa học vật liệu tại đại học Purdue cho hay.
Sơ đồ tái chế xoay vòng
Phương pháp luyện kim đốt cháy pin thải thành xỉ, sau đó thủy luyện hòa tan chúng trong axit, đều với mục đích chiết xuất kim loại từ cực âm. Lý tưởng nhất là khi ta tái chế trực tiếp, sẽ khôi phục lại được cực âm nguyên vẹn. Nhưng điều này phải có chi phí hợp lý so với việc khai thác.
Lý tưởng nhất là tái chế trực tiếp vì sẽ giữ được cực âm nguyên vẹn. Điều này hấp dẫn các nhà sản xuất pin bởi vì cực âm được tái chế sẽ không cần quá trình xử lý nặng (mặc dù vẫn phải thêm một lưởng nhỏ Li để phục hồi cực âm). Gaines cho rằng nên nghĩ về việc sản xuất xoay vòng, là vòng nhỏ hơn so với nhiệt luyện và thủy luyện.
Trong quá trình tái chế trực tiếp, đầu tiên công nhân sẽ hút sạch các chất điện phân và cắt nhỏ các cell pin. Sau đó họ sẽ loại bỏ chất kết dính bằng nhiệt hoặc dung môi, sau đó sử dụng kĩ thuật tuyển nổi để tách cực âm và cực dương. Lúc này, bên cực âm trông giống bột trẻ em vậy.
Cho đến nay, các thí nghiệm về tái chế trực tiếp chỉ tập trung vào từng cell pin một và chỉ thu được vài chục gam bột ở cực âm. Nhưng các nhà nguyên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Hoa Kì đã xây dựng được mô hình kinh tế, cho thấy kĩ thuật này nếu được nhân rộng trong điều kiện thích hợp thì hoàn toàn khả thi trong tương lai.
Cần sự phối hợp của các nhà sản xuất pin
Tuy nhiên để làm được điều đó, các nhà sản xuất pin và các nghiên cứu phải giải quyết hàng loạt những vấn đề. Một là đảm bảo các nhà sản xuất dán nhãn pin của họ, để khi tái chế biết được loại pin đang xử lý, và cực âm của pin có chứa kim loại giá trị hay không. Với sự thay đổi nhanh chóng của thị trường pin, Gainses lưu ý rằng những bản cực âm được sản xuất ngày nay có thể không ai mua. Do đó những nhà tái chế sẽ tốn công vô ích.
Một vấn đề khác là cắt mở pin EV. Mô đun pin Leaf của Nissan có thể mất đến 2 giờ để tháo rời. Pin của Tesla không chỉ độc đáo vì có dạng hình trụ mà còn là việc được kết dính bằng xi măng polyurethane, gần như không thể bị phá hủy.
Các nhà khoa học lưu ý rằng các kĩ sư có thể tạo ra rô bốt tăng tốc độ tháo rời pin, nhưng các vấn đề về kết dính vẫn còn ngay cả khi đã cắt sâu vào pin. Đó là vì nhiều loại keo được sử dụng để giữ 2 bản cực và các thành phần cố định. Một số loại dung môi để hòa tan chất kết dính đó độc hại đến mức Liên minh châu Âu đã đưa ra hạn chế sử dụng, và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kì đã xác định rằng nó gây ra không ít rủi ro cho người lao động.
Để kết thúc quá trình này, Thompson và các nhà nghiên cứu khác khuyến khích nhà sản suất pin EV lưu ý đến vấn đề tái chế trong quá trình thiết kế. Loại pin lý tưởng sẽ giống như chiếc bánh quy Giáng sinh của Vương quốc Anh có thể kéo ra ở mỗi đầu, để lộ ra kẹo hoặc một thông điệp. Ví dụ như pin Blade, một loại pin LiFePO4, ra mắt năm ngoái bởi BYD, một hãng sản xuất xe điện của Trung Quốc. Loại pin này loại bỏ thành phần mô đun, thay vào đó là các ô lưu trữ phẳng trực tiếp bên trong. Do đó mỗi cell pin sẽ được tháo ra dễ dàng bằng tay, thay vì phải xử lý keo dính và dây dẫn.
Pin Blade được ra mắt năm 2018, sau khi chính phủ Trung Quốc yêu cầu các nhà sản xuất xe điện có trách nhiệm với việc tái chế pin. Quốc gia này hiện tái chế nhiều pin Lithium – ion so với phần còn lại của thế giới cộng lại, chủ yếu dựa vào phương pháp nhiệt luyện và thủy luyện.
Những quốc gia đang áp dụng các chính sách tương tự phải đối mặt với một số câu hỏi hóc búa. Ví dụ ai sẽ là người chịu trách nhiệm chính trong việc tái chế. Đó là trách nhiệm của người mua một chiếc xe điện hay là trách nhiệm của nhà sản xuất?.
Các nhà nghiên cứu cho biết việc tái chế pin một cách hiệu quả sẽ đòi hỏi những tiến bộ công nghệ. Ngoài ra chi phí cho việc vận chuyển các chất dễ cháy trong một khoảng cách xa, xuyên quốc gia khá cao. Do đó việc đặt các trung tâm tái chế ở đúng nơi rất quan trọng, nhưng lại là thách thức trong việc tích hợp hệ thống và tập hợp các nghiên cứu lại với nhau.
Dù sao thì Abbott cho rằng “Chúng ta đang còn rất ít thời gian”, phải tính đến việc sản xuất một cell pin có thể tháo rời. Điều này có thể chưa cần ngay nhưng là tương lai gần.
Bảo Hưng, Đức Tùng (theo https://www.sciencemag.org)
