mới. Một số công ty tái chế pin hiện nay tuyên bố có thể thu hồi hơn 90% vật liệu từ pin lithium-ion cũ và tái chế chúng thành pin mới. Điều này ngày càng trở nên quan trọng khi số lượng xe điện gia tăng, kéo theo nhu cầu lớn hơn về pin và tài nguyên.

Tái chế được xem là giải pháp tốt hơn so với khai thác tài nguyên mới và thải bỏ pin cũ. Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh DW Planet A, nói về quy trình tái chế pin được phát triển tại Đại học Kỹ thuật Clausthal (TU Clausthal – Technische Universität Clausthal), CHLB Đức.

Quy trình xử lý ban đầu – từ pin đến vật liệu cơ bản
Quy trình bắt đầu bằng việc xả điện pin, sau đó tháo rời thủ công. Công đoạn này có chi phí cao do pin từ mỗi nhà sản xuất có thiết kế khác nhau. Tiếp theo, pin được nghiền nhỏ, các thành phần lỏng được tách ra, và các phương pháp cơ học như nghiền và sàng giúp phân tách các vật liệu cơ bản như kim loại từ vỏ pin, nhựa, nhôm và đồng.

Thành phần có giá trị nhất là “black mass” (1), nơi chứa các vật liệu quan trọng của pin.
(1) Black mass là một thuật ngữ đặc biệt trong lĩnh vực tái chế pin, dùng để chỉ hỗn hợp bột vật liệu cathode (cực dương) và anode (cực âm) sau khi nghiền pin, bao gồm các khoáng sản quan trọng như coban, mangan, nhôm, đồng, graphite và lithium.

Công nghệ hydrometallurgical – thu hồi kim loại bằng hóa học
Tại TU Clausthal, nhóm nghiên phát triển phương pháp thu hồi vật liệu ở quy mô lớn. Công nghệ được sử dụng là hydrometallurgical recycling (tái chế thủy luyện) – một quy trình ở nhiệt độ thấp, tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các phương pháp khác.

Trong quy trình này, “black mass” được đưa vào giai đoạn leaching (hòa tách), nơi axit sulfuric hòa tan các kim loại có giá trị vào dung dịch. Đây là một hóa chất rất nguy hiểm, có thể gây bỏng nghiêm trọng khi tiếp xúc và tạo ra khí độc, do đó cần hệ thống thông gió nghiêm ngặt.

Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc loại bỏ tạp chất còn sót lại như nhôm và đồng, với khả năng loại bỏ tới 95% tạp chất thông qua lọc và xử lý hóa học.

Thách thức môi trường và mở rộng quy mô
Ở quy mô lớn hơn, quá trình diễn ra trong các bể dung môi lớn, nơi “black mass” được xử lý liên tục. Tuy nhiên, việc mở rộng quy mô phát sinh các vấn đề như khí thải độc hại, bao gồm hydrogen sulfide (H2S) và hydrogen fluoride (HF), cần được kiểm soát chặt chẽ.

Ngoài ra, việc sử dụng axit và dung môi cũng đặt ra lo ngại về môi trường. Các nghiên cứu đang hướng tới việc sử dụng axit hữu cơ thân thiện hơn, nhưng công nghệ này vẫn chưa hoàn thiện. Nếu không kiểm soát tốt, các rủi ro này có thể làm mất đi lợi ích môi trường của tái chế, như đã từng xảy ra tại một số nhà máy ghi nhận mức phát thải kim loại nặng cao.

Tách chiết coban – quá trình hóa học nhiều bước
Để thu hồi coban, dung dịch tiếp tục được xử lý với các dung môi khác, tạo ra sự thay đổi màu sắc từ xanh lục sang xanh đậm, rồi sang đỏ. Những thay đổi này phản ánh các giai đoạn khác nhau trong quá trình tách chiết.

Coban liên kết với các pha cụ thể trong dung dịch (2), và các bước xử lý tiếp theo giúp tăng nồng độ của nó. Để thu được coban ở dạng rắn có thể tái sử dụng, kim loại này cần được kết tủa khỏi dung dịch, thông qua gia nhiệt trong công nghiệp hoặc sử dụng thêm dung môi trong phòng thí nghiệm.
(2) Trong các quy trình thủy luyện, “pha” được hiểu là một môi trường vật lý – hóa học riêng biệt trong hệ xử lý, nơi các chất có thể tồn tại và phân bố. Một hệ có thể gồm nhiều pha khác nhau như pha nước (dung dịch chứa kim loại hòa tan), pha hữu cơ (dung môi dùng để chiết kim loại), hoặc pha rắn (kết tủa hoặc tinh thể). Trong quá trình thu hồi coban, kim loại này không tồn tại cố định ở một trạng thái mà sẽ dịch chuyển giữa các pha khác nhau tùy theo điều kiện hóa học. Ví dụ, coban ban đầu có thể nằm trong pha nước, sau đó được chiết sang pha hữu cơ nhờ dung môi chuyên dụng, trước khi được đưa trở lại pha nước hoặc kết tủa thành pha rắn để thu hồi.

Kết quả là các tinh thể coban hình thành rõ rệt, và trong điều kiện tối ưu, có thể thu hồi hơn 99% coban.

Khoảng cách giữa phòng thí nghiệm và thực tế công nghiệp
Mặc dù hiệu suất thu hồi rất cao trong phòng thí nghiệm, việc triển khai ở quy mô công nghiệp lại gặp nhiều thách thức. Các thí nghiệm trong phòng lab được thực hiện theo từng bước, đồng đều với đầu vào được kiểm soát, trong khi sản xuất công nghiệp yêu cầu quy trình liên tục với đầu vào không đồng nhất.

Việc duy trì hiệu suất và độ ổn định trong điều kiện thực tế là rất khó. Dù có thể đạt tỷ lệ thu hồi trên 90%, điều này phụ thuộc vào điều kiện tối ưu, vốn hiếm khi xuất hiện trong thực tế. Bất kỳ sự suy giảm nào cũng ảnh hưởng trực tiếp đến tính khả thi về kinh tế.

Bài toán kinh tế – rào cản lớn nhất của ngành
Chi phí là yếu tố then chốt. Việc tháo rời pin phải được thực hiện thủ công do cấu tạo pin khác nhau đến từ từng nhà sản xuất, điều này làm tăng thêm chi phí. Bên cạnh đó, quy trình hydrometallurgical cũng là phần tốn kém nhất.

Thị trường kim loại biến động mạnh càng làm phức tạp bài toán kinh tế. Giá lithium, chẳng hạn, có thể giảm mạnh trong thời gian ngắn, ảnh hưởng trực tiếp đến lợi nhuận. Trong điều kiện thuận lợi, các công ty tái chế có thể thu về khoảng 800 đến 1.600 USD mỗi tấn pin.

Tuy nhiên, lợi nhuận phụ thuộc lớn vào chi phí đầu vào. Nếu pin được thu gom miễn phí, tái chế có thể sinh lời cao hơn khai thác. Ngược lại, nếu phải trả tiền để mua pin cũ, tái chế có thể kém cạnh tranh hơn so với khai thác tài nguyên mới.

Sự đa dạng công nghệ pin – rào cản kỹ thuật
Một thách thức khác là sự đa dạng của các loại pin, bao gồm LFP, LMO, NCA và nhiều biến thể (3) của NMC như 1:1:1, 6:2:2 hoặc 8:1:1.
(3) Các biến thể trong pin NMC thể hiện tỷ lệ giữa ba nguyên tố niken, coban và mangan trong vật liệu cathode. Ví dụ, NMC 811 tương ứng với tỷ lệ 8:1:1, nghĩa là niken chiếm phần lớn. Tỷ lệ này quyết định đặc tính của pin: niken giúp tăng mật độ năng lượng, coban cải thiện độ ổn định, còn mangan giúp tăng độ bền và giảm chi phí.

Sự thiếu tiêu chuẩn hóa này buộc các nhà máy tái chế phải thiết kế hệ thống linh hoạt để xử lý nhiều loại vật liệu khác nhau. Điều này làm tăng chi phí và độ phức tạp, đồng thời khiến việc tối ưu hóa quy trình trở nên khó khăn hơn.

Nguồn cung pin thải – nút thắt bất ngờ
Ngoài các vấn đề kỹ thuật và kinh tế, ngành tái chế còn đối mặt với thiếu hụt nguồn nguyên liệu. Pin xe điện có tuổi thọ dài hơn dự kiến và thường được tái sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng trước khi bị thải bỏ.

Điều này làm giảm lượng pin sẵn có cho tái chế trong ngắn hạn. Trong khi các kết quả phòng thí nghiệm cho thấy hiệu suất rất cao, thông tin về vận hành quy mô lớn vẫn còn hạn chế, đặc biệt là liên quan đến việc xử lý các sản phẩm phụ độc hại.

Kết luận
Dù vẫn còn tồn tại một số rào cản về chi phí, công nghệ và quy mô triển khai, phương pháp tái chế pin bằng thủy luyện (hydrometallurgical recycling) hiện đã được một số doanh nghiệp lớn trên thế giới áp dụng, tiêu biểu như Cirba Solutions, TES, Duesenfeld hay Neometals. Điều này cho thấy công nghệ không còn dừng ở mức thử nghiệm, mà đang dần bước vào giai đoạn thương mại hóa và mở rộng quy mô.

Trong bối cảnh chuỗi cung ứng nguyên liệu cho pin ngày càng chịu áp lực từ biến động địa chính trị, rủi ro nguồn cung và các vấn đề môi trường liên quan đến khai thác, tái chế pin không chỉ là một giải pháp bổ trợ mà đang trở thành một mắt xích quan trọng trong hệ sinh thái sản xuất pin. Việc thu hồi và tái sử dụng các kim loại như lithium, niken hay coban giúp giảm phụ thuộc vào khai thác tài nguyên nguyên sinh, đồng thời góp phần ổn định nguồn cung trong dài hạn.

Về bản chất, tái chế pin là nền tảng để xây dựng mô hình kinh tế tuần hoàn cho ngành năng lượng. Khi nhu cầu pin tiếp tục tăng mạnh cùng với sự phát triển của xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng, vai trò của tái chế sẽ ngày càng rõ ràng, không chỉ về mặt môi trường mà còn về chiến lược công nghiệp và an ninh năng lượng.

Để xem các tin bài khác về :”Tái chế pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: DW Planet A