Các công nghệ thu hồi lithium từ pin EV

Khi hàng triệu pin EV hết vòng đời, thu hồi lithium chuyển từ lo ngại về môi trường thành cơ hội kinh tế chiến lược, góp phần tái định hình chuỗi cung ứng pin. Trung bình một pin EV chứa 5 - 10kg lithium, số vật liệu có thể thu hồi ước đạt giá trị tích lũy hàng tỉ USD. Hoạt động khai khoáng không thể đáp ứng bền vững nhu cầu ngày càng tăng đặc biệt khi năng lực sản xuất tiếp tục vượt xa nguồn cung nguyên liệu thô.

Cân nhắc bảo vệ môi trường càng làm tăng tầm quan trọng của các công nghệ thu hồi hiệu quả. Thu hồi theo phương pháp bốc hơi truyền thống cần đến 500.000 - 750.000 lít nước cho mỗi tấn lithium, gây áp lực lớn lên tài nguyên nước. Thu hồi hiệu quả không chỉ tốt cho môi trường mà còn tăng cường an ninh tài nguyên, giảm phụ thuộc nhập khẩu.

Thu hồi lithium hiệu quả không chỉ tốt cho môi trường mà còn tăng cường an ninh tài nguyên, giảm phụ thuộc nhập khẩu - Ảnh: Discovery Alert

Thách thức cũng là cơ hội

Nhiều dự báo chỉ ra đến năm 2030 trên toàn cầu có hơn 12 triệu tấn pin EV hết hạn sử dụng. Nếu không xây dựng lộ trình tái chế hiệu quả thì khủng hoảng chất thải sẽ nổ ra, nhưng đồng thời đây cũng là cơ hội thu hồi vật liệu quý giá trong pin để hỗ trợ sản xuất hàng chục triệu xe mới.

Các đơn vị sản xuất pin và xe ngày càng xem tái chế không chỉ là sáng kiến bền vững mà còn là thành phần cơ bản trong mô hình kinh doanh. Nhiều công ty như Tesla phát triển năng lực tái chế nội bộ, thu hồi lithium cùng nhiều kim loại quý khác từ hệ thống pin của chính mình.

Công nghệ thu hồi truyền thống

Nhiệt luyện là thế hệ công nghệ tái chế pin đầu tiên, sử dụng phương pháp nấu chảy ở nhiệt độ cao (thường khoảng 1.400 - 1.500 độ C). Công nghệ này thu hồi hiệu quả cobalt, nickel, đồng, nhưng thu hồi lithium lại có vài nhược điểm.

Nhiệt độ cao tạo ra hợp kim kim loại chứa cobalt và nickel, còn lithium thường chuyển vào xỉ thải. Tỉ lệ thu hồi lithium chỉ đạt 5 - 10%. Không những vậy, nhiệt luyện tiêu thụ đến 5.000 - 8.000 kilowatt giờ trên mỗi tấn vật liệu, tạo ra lượng phát thải carbon đáng kể tiếp tay gây ô nhiễm. Quản lý phát thải càng phức tạp hơn, nhiệt luyện sản sinh hợp chất có khả năng gây nguy hiểm, đòi hỏi hệ thống xử lý tinh vi.

So với nhiệt luyện, thủy luyện thông thường đánh dấu bước tiến lớn trong công nghệ tái chế pin. Công nghệ này thu hồi kim loại bằng phương pháp ngâm chiết hóa học thay vì nhiệt độ cao. Dung dịch axit hoặc bazơ được dùng để hòa tan kim loại có mục tiêu. Quy trình đòi hỏi tiền xử lý cơ học (nghiền) rồi tiến hành ngâm chiết, sau đó sử dụng kết tủa chiết dung môi và trao đổi ion để cô lập riêng lẻ từng kim loại.

Thủy luyện thông thường đạt tỉ lệ thu hồi lithium 30 - 50%. Tỉ lệ hạn chế do khả năng chiết xuất của dung dịch kém, khó kiểm soát dung dịch khiến thất thoát lithium đáng kể trong suốt quá trình. Ngoài ra, thủy luyện cần đến 2 - 3 tấn chất hóa học cho mỗi tấn vật liệu, làm tăng chi phí. Nước thải còn đòi hỏi phải xử lý kỹ lưỡng trước khi xả ra môi trường, khiến quá trình trở nên phức tạp và tốn kém nên khó áp dụng rộng rãi.

Đột phá công nghệ mới

Giáo sư Choi Kyoung-Shin, Đại học Wisconsin-Madison, phát triển công nghệ điện hóa đột phá, đặc biệt nhắm vào pin lithium - sắt - phosphate (LFP). Công nghệ hoạt động ở nhiệt độ thông thường và cho tỉ lệ thu hồi lithium cao đáng kể. Toàn quá trình chỉ gồm 2 công đoạn, đầu tiên tiền xử lý bằng lượng chất hóa học tối thiểu rồi phân tách điện hóa để lọc ion lithium mà không làm phân hủy các vật liệu khác. Cả pin thương mại lẫn hỗn hợp đầy tạp chất từ quá trình nghiền pin đều dùng được công nghệ này. Không chỉ hoạt động ở nhiệt độ thông thường, công nghệ tiêu thụ ít năng lượng nên kéo giảm cả chi phí vận hành lẫn tác động môi trường. Nhóm nghiên cứu thành lập một liên doanh khởi nghiệp để mở rộng quy mô và thương mại hóa công nghệ, thử nghiệm ban đầu dự kiến bắt đầu trong vòng 24 tháng tới. Một số đơn vị sản xuất pin lớn đã bày tỏ sự quan tâm.

Còn Đại học Surrey tiên phong phát triển hệ thống điện hóa sinh học (BES) dùng vi sinh vật chuyên biệt có thể xúc tác phản ứng điện hóa ở mức năng lượng thấp hơn phương pháp hóa học truyền thống. Kết quả là lượng năng lượng mà BES cần thấp hơn 60 - 80%, nhưng lại đạt tỉ lệ thu hồi lithim 90 - 95%. Hệ thống hiệu quả với nhiều loại pin, sản sinh ít chất thải giúp giảm thiểu tác động môi trường.

Hai công ty Cylib và Syensqo hợp tác phát triển công nghệ chiết xuất dung môi độc quyền, chuyên dùng cho việc thu hồi vật liệu pin. Phương pháp của họ tập trung vào trực tiếp sản xuất lithium hydroxide từ pin EV đã qua sử dụng. Dung môi CYANEX 936P mà họ tạo ra chứng minh được khả năng lọc ion lithium bất kể dung dịch chứa nhiều nguyên tố kim loại, giúp giảm số bước tinh chế đầu tiên. Ngoài ra, công nghệ này đủ sức xử lý nhiều loại hóa chất pin trên một dây chuyền sản xuất duy nhất, giúp loại bỏ nhu cầu phân loại theo loại hóa chất.

Thách thức pin LFP

Pin LFP ngày càng phổ biến nhờ độ an toàn cao, nhưng lại đặt ra thách thức tái chế lớn thúc đẩy công nghệ thu hồi phát triển. Thách thức bắt nguồn từ thành phần vật liệu của chúng. Không giống pin nickel -mangan - cobalt (NMC) chứa kim loại quý như cobalt (30.000 - 50.000 USD/tấn) hay nickel (15.000 - 25.000 USD/tấn), pin LFP chủ yếu chứa sắt và phosphate giá trị thấp (dưới 500 USD/tấn) nên hoạt động tái chế không hiệu quả về mặt kinh tế. Lithium (chiếm 5 - 7% khối lượng pin) là thành phần duy nhất đáng thu hồi nhưng các phương pháp tái chế thông thường khó đem lại lợi nhuận đáng kể.

Đặc tính vật liệu của LFP càng khiến nỗ lực tái chế thêm khó khăn. Liên kết hóa học mạnh mẽ giữa lithium, sắt và phosphate đem lại tính ổn định cao có lợi cho quá trình sử dụng nhưng làm khó cho quá trình tái chế. Vì vậy LFP đòi hỏi điều kiện chiết tách mạnh hơn, khiến độ phức tạp lẫn chi phí tăng cao.

Cẩm Bình