Nỗ lực tái chế pin lithium-ion

Cuối tháng 10.2019, một cơ sở tái chế tại thành phố Scottsdale thuộc bang Arizona (Mỹ) bị hỏa hoạn. Ngọn lửa thiêu rụi cả khu vực gần 4.000 mét vuông, khói bay xa khiến giới chức địa phương phải tạm phong tỏa đường cao tốc gần đó.

Lực lượng cứu hỏa phải đến ngày hôm sau mới dập tắt được ngọn lửa. Công ty vận hành cơ sở tái chế tạm ngừng việc thu gom ở các thành phố lân cận. Cơ sở vốn phụ trách xử lý đến 85.000 tấn chất thải mỗi năm, nhưng nay lượng rác này chẳng còn nơi nào để chuyển đến, ngoại trừ bãi rác.

Thủ phạm gây hỏa hoạn: pin lithium-ion rất phổ biến trong điện thoại và máy tính xách tay. Mặc dù nhìn chung chúng khá an toàn, nhưng pin vẫn còn tích năng lượng bay hơi ngay cả khi không còn dùng được nữa, vì vậy vứt bỏ không cẩn thận có thể gây ra cháy nổ. Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) năm 2021 ghi nhận rất nhiều vụ cháy như vậy ở 28 bang trong giai đoạn 2013-2020, đặc biệt có một cơ sở chỉ trong 1 năm xảy ra hỏa hoạn hơn chục lần.

Rủi ro càng ngày càng cao: công ty nghiên cứu thị trường Rystad Energy ước tính thị trường lithium toàn cầu dự kiến tăng gấp 20 lần vào năm 2030.

Pin lithium-ion là thành phần chính của xe điện, các kim loại trong chúng - lithium, cobalt, niken - ngày càng khó kiếm hơn và thường chỉ do vài quốc gia cung cấp. Cung cấp năng lượng cho thế hệ xe điện tiếp theo đòi hỏi phải khai thác hàng nghìn tấn lithium và cobalt từ hàng loạt mỏ quặng trên khắp thế giới – một quá trình tốn kém, tàn phá môi trường.

Giáo sư kỹ thuật Fengqi You thuộc đại học Cornell cho rằng: “Chúng ta nên tái chế bất cứ thứ gì có thể tái chế. Trong trường hợp của pin, việc tái chế còn trở nên quan trọng hơn”.

Tin tốt là hiện nay các kim loại trong pin bỏ đi có thể được lấy ra rồi tái sử dụng. Với cơ sở hạ tầng tái chế phù hợp, lượng kim loại cần khai thác lẫn nguy cơ xảy ra cháy nổ sẽ giảm đáng kể.

Một số công ty khởi nghiệp đang phát triển cách thức thu hồi và tái sử dụng pin bỏ đi. Ascend Elements mùa hè này mở một cơ sở tái chế lớn tại bang Georgia chuyên thu hồi lithium, cobalt, niken. Các đối thủ của công ty cũng không hề bị bỏ lại phía sau. Tất cả đều cố gắng tạo nên hệ thống tái chế ít phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hoạt động khai thác không cần thiết.

Nhà hóa học M.Stanley Whittingham đưa ra ý tưởng đầu tiên pin lithium-ion có thể sạc lại vào cuối những năm 1970. Hàng loạt đơn vị từ Cơ quan Hàng không - Vũ trụ Mỹ (NASA) cho đến đại học Oxford phát triển công nghệ của ông trong thập kỷ tiếp theo. Đến năm 1991 công nghệ được thương mại hóa khi Sony dùng pin nâng cao tuổi thọ máy quay do hãng sản xuất.

Lượng năng lượng mà pin trữ được đến nay đã tăng gần gấp 3 lần, chi phí sản xuất ngược lại giảm hơn 97% – từ khoảng 7.500 USD năm 1991 xuống còn dưới 200 USD năm 2018.

Mọi loại pin đều hoạt động bằng cách lưu trữ năng lượng hóa học và chuyển hóa thành điện năng. Một đơn vị pin thông thường chứa kim loại dẫn điện khác nhau ở hai cực dương và âm, được phân tách bởi một môi trường hóa học gọi là chất điện phân.

Khi bật thiết bị, electron ở cực dương di chuyển qua cực âm. Trong pin thông thường thì không có cách nào đảo ngược quá trình này. Pin lithium-ion có tuổi thọ cao hơn nhiều nhờ dùng lithium làm vật liệu điện cực có thể di chuyển từ cực nọ sang cực kia và ngược lại. Tuy nhiên mỗi chu kỳ sạc lại gây ra phản ứng hóa học mất kiểm soát làm giảm tuổi thọ pin theo thời gian.

Thị trường xe điện phát triển bùng nổ làm gia tăng nhu cầu kim loại phục vụ cho ngành, trong đó có cả lithium. Kết quả là các quốc gia có trữ lượng lớn như Trung Quốc, Úc, Chile đẩy mạnh khai thác. Sản lượng toàn cầu tăng gấp 3 lần từ 31.000 tấn/năm (năm 2010) lên 110.000 tấn/năm (năm 2021).

Nhưng với thị trường xe điện toàn cầu tăng trưởng khoảng 20% mỗi năm, rất khó để bất cứ nhà sản xuất lithium nào có thể đáp ứng. Cơ quan Năng lượng quốc tế dự đoán sản lượng lithium hàng năm có thể thiếu gần 2 triệu tấn vào năm 2030.

Dù ít nhất 3 hoặc 4 lục địa có tiềm năng khai thác kim loại này, nhưng hầu hết nhà máy tinh chế và xưởng sản xuất pin đều ở Trung Quốc – gây nên tình trạng tắc nghẽn kinh niên. Công ty nghiên cứu thị trường Rystad Energy dự báo nếu sản lượng không tăng thì giá lithium vào cuối thập kỷ này có thể tăng gấp 3.

Nhu cầu tăng cao cũng gây ra tác hại về môi trường. Các công ty sử dụng hàng chục tỉ gallon nước mỗi năm để khai thác lithium, làm cạn kiệt nguồn tài nguyên nước vốn đã khô cằn ở nhiều quốc gia như Chile. Gần hàng loạt mỏ lithium ở Tây Tạng, Argentina và Mỹ xảy ra tình trạng cạn kiệt nước ngọt hoặc cá chết.

Loạt yếu tố trên thúc đẩy nhu cầu tái chế. Pin lithium-ion trong vài thập kỷ đầu tiên có mặt trên thị trường chẳng có giá trị gì để khiến mọi người bận tâm đến chuyện tái chế chúng, nhưng vẫn có một số tổ chức ngăn chúng bị đưa ra bãi chôn lấp. Đáng chú ý nhất trong số này là Call2Recycle thành lập vào những năm 1990 bởi các nhà sản xuất pin lớn với hy vọng giảm thiểu rủi ro môi trường. Năm 2021, Call2Recycle thu gom gần 4 triệu kg pin bỏ đi.

Eric Frederickson - giám đốc quảng lý Call2Recycle - cho biết ban đầu thành phần hóa học mà tổ chức thu lại được từ pin chủ yếu là niken cadmium, nhưng giờ đây là lithium.

Cơ sở tái chế của Ascend Elements sử dụng một quy trình riêng mang tên luyện kim thủy lực (hydrometallurgy) – dùng dung dịch hóa học hòa tan kim loại rồi lọc để lấy lại chúng ở thể rắn. Họ mua pin bỏ đi từ đơn vị sản xuất xe điện hay từ tổ chức thu gom Call2Recycle, sau đó dùng máy nghiền nghiền pin thành bột mịn đưa đến cơ sở. Cơ sở sẽ hóa lỏng kim loại “chết”, loại bỏ tạp chất như nhựa hoặc kim loại không mong muốn, làm thay đổi cấu trúc hóa học rồi ngưng tụ lại thành bột để có thể sử dụng lại.

Khi chính thức đi vào hoạt động, cơ sở tái chế của Ascend Elements có thể xử lý khoảng 33.000 tấn pin bỏ đi và các rác thải khác mỗi năm – tạo ra đủ kim loại để sản xuất 70.000 xe điện. Đơn vị sản xuất xe có thể ký hợp đồng mua vật liệu hoặc hợp đồng cung cấp phế liệu cho Ascend và mua lại vật liệu đã tái chế.

Không chỉ Ascend Elements, công ty Li-Cycle (Canada) cũng xây nhà máy tái chế dùng công nghệ luyện kim thủy lực tương tự.