Thu hồi graphite từ pin EV ngày càng được quan tâm

Nhu cầu EV tăng qua từng năm thúc đẩy các chính phủ và hãng sản xuất tìm cách đảm bảo nguồn cung vật liệu cần thiết cho sản xuất pin. Ngày nay, họ tập trung vào nỗ lực thu hồi số kim loại có giá trị như niken hay coban từ pin lithium-ion đã qua sử dụng. Cuộc chiến thương mại Mỹ - Trung leo thang càng khiến đơn vị tái chế cố gắng thu hồi nhiều thành phần hơn.

Ngày 1.12.2023, Trung Quốc áp đặt hạn chế xuất khẩu graphite (than chì) - khoáng chất được dùng trong cực dương pin EV. Động thái này làm dấy lên lo ngại các đơn vị sản xuất pin bên ngoài Trung Quốc khó tìm đủ vật liệu cần thiết vì quốc gia châu Á thống trị mọi khâu trong chuỗi cung ứng, từ khai thác, tinh chế graphite đến sản xuất cực dương.

Thiết lập mỏ graphite và cơ sở sản xuất mới cần đến nhiều năm, nên phương án thu hồi graphite từ pin đã qua sử dụng - điều chưa được thực hiện ở quy mô lớn do hàng loạt rào cản kỹ thuật lẫn kinh tế - trở nên khả thi hơn. Bộ Năng lượng Mỹ chấp nhận bỏ ra hàng chục triệu USD tài trợ cho nhiều công ty nghiên cứu cách thức tái chế.

Nhà nghiên cứu Matt Keyser (Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia thuộc Bộ Năng lượng Mỹ) nhận định nếu có thể vượt qua loạt rào cản hiện tại, nguồn cung graphite từ pin đã qua sử dụng sẽ rất lớn. Ngoài giúp tăng nguồn cung nội địa thì hoạt động thu hồi còn góp phần tránh lãng phí, qua đó giảm phát thải carbon liên quan đến quá trình sản xuất pin.

Graphite là một dạng khoáng chất của carbon sở hữu cả đặc tính kim loại lẫn phi kim loại, chẳng hạn như dẫn điện, chịu nhiệt tốt, độ trơ hóa học cao. Chúng rất hữu ích cho không ít ứng dụng công nghiệp lẫn năng lượng, trong đó có lưu trữ điện trong pin lithium-ion. Lúc pin được sạc, ion lithium di chuyển từ cực âm kim loại sang cực dương graphite. Khi sử dụng thì ion được giải phóng tạo ra dòng điện.

Graphite tồn tại dưới dạng mảng hoặc tinh thể ngoài tự nhiên. Con người cần khai thác và xử lý chúng để tạo ra các hạt hình cầu nhỏ dùng cho sản xuất cực dương. Nung phụ phẩm của quá trình sản xuất than hoặc dầu mỏ ở nhiệt độ lớn hơn 2.500 độ C cũng đem lại graphite.

Do chi phí khai thác - sản xuất thấp nên graphite có giá trị thấp hơn kim loại dùng trong cực âm như lithium, niken, coban, mangan, do đó lâu nay các đơn vị tái chế pin ít quan tâm đến chúng. Graphite có thể chiếm đến 30% pin EV nhưng thường bị đốt đi lấy năng lượng hoặc tách ra đem chôn lấp.

Để thu hồi graphite hiệu quả, các đơn vị tái chế cần dùng một số phương pháp tách chúng khỏi mọi thứ khác, loại bỏ chất gây ô nhiễm (như kim loại hoặc keo dán), đồng thời khôi phục cấu trúc ban đầu của vật liệu - điều thường được thực hiện bằng nhiệt độ cao.

Ngày nay, ngành tái chế pin đang chuyển dần từ luyện kim truyền thống sang thủy luyện: cắt nhỏ pin rồi đưa vào dung dịch hóa học để chiết xuất và tinh chế nhiều kim loại khác nhau. Nhà nghiên cứu Keyser cho biết thủy luyện kim có thể được điều chỉnh phục vụ nỗ lực thu hồi graphite mặc dù vẫn còn vài vấn đề hậu cần. Thủy luyện kim thường dùng axit mạnh giúp tách kim loại cực âm, nhưng axit sẽ làm hỏng cấu trúc tinh thể của graphite. Có thể cần thêm công đoạn xử lý nhiệt nhằm khôi phục hình dạng sau chiết xuất, nhưng làm vậy khiến chi phí cùng mức sử dụng năng lượng đội lên cao.

Một phương án khác là tái chế trực tiếp: vật liệu pin được tách ra và sửa chữa để tái sử dụng mà không cần nấu chảy hoặc xử lý axit, qua đó giữ nguyên cấu trúc vật liệu. Đây là ý tưởng mới nên còn chưa phổ biến, hơn nữa lại đòi hòi phải tách một cách sạch sẽ và hiệu quả.

Hiện tại, các đơn vị đang thử nghiệm vài quy trình. Công ty American Battery Technology phát triển phương pháp dùng nhân công tách graphite khỏi thành phần khác sau đó tiến hành tinh chế hóa học, tiếp theo khôi phục cấu trúc ban đầu của graphite bằng bước xử lý nhiệt và cơ học. Tái chế chỉ đang diễn ra ở quy mô cơ sở thí nghiệm, họ dự định dùng kinh phí Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ tăng quy mô lên vài tấn vật liệu giàu graphite mỗi ngày.

Công ty Ascend Elements sở hữu quy trình thủy luyện kim được cấp bằng sáng chế. Phó chủ tịch Roger Lin tuyên bố phương pháp này có thể đưa graphite lẫn tạp chất trở về độ tinh khiết 99%, giữ được loạt đặc tính cần thiết để dùng trong sản xuất cực dương. Tháng 10 năm ngoái họ cùng đối tác Koura Global thông báo kế hoạch xây dựng cơ sở tái chế đầu tiên tại Mỹ.

Công ty Princeton NuEnergy thì cân nhắc tái chế trực tiếp. Năm ngoái, họ mở nhà máy thí điểm đầu tiên ở bang Texas của Mỹ. Tại đây, pin trải qua loạt công đoạn phân tách nhiều vật liệu khác nhau, sau đó chất trong cực âm lẫn cực dương được đưa vào lò phản ứng nhiệt độ thấp để loại bỏ chất gây ô nhiễm. Tiếp theo đó là một số công đoạn giúp khôi phục cấu trúc ban đầu của vật liệu.

Theo quan chức Văn phòng Công nghệ phương tiện thuộc Bộ Năng lượng Mỹ Brian Cunningham, các phương pháp vẫn cần cải tiến để hạ chi phí tái chế. Quá trình đánh giá chất lượng vật liệu cũng phải hoàn thiện hơn nữa.