Pin cho xe điện: Làm sao để sản xuất đủ?

Để chuyển đổi sang xe điện, ngành công nghiệp pin cần tìm ra các giải pháp cho phép hạn chế sử dụng kim loại khan hiếm, và tăng cường tái chế.

Thời đại của ô tô điện đang đến. Đầu năm nay, tập đoàn ô tô khổng lồ General Motors của Mỹ thông báo rằng họ sẽ ngừng bán các mẫu xe chạy bằng xăng và diesel vào năm 2035. Audi, có trụ sở tại Đức, có kế hoạch ngừng sản xuất các loại xe này vào năm 2033. Nhiều công ty ô tô đa quốc gia khác cũng đặt ra các lộ trình tương tự. Ngay cả khi không có các chính sách hoặc quy định về xe điện, một nửa doanh số bán xe trên toàn cầu vào năm 2035 sẽ là xe điện, theo công ty tư vấn BloombergNEF (BNEF) ở London.

Hồi đầu tháng 5, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) tuyên bố quá trình chuyển đổi sang xe điện là “chuyển đổi từ hệ thống sử dụng nhiều nhiên liệu sang hệ thống sử dụng nhiều nguyên liệu”. Trong những thập kỷ tới, hàng trăm triệu xe điện (EV) sẽ được bán ra, và ngành công nghiệp sẽ phải khai thác thêm hàng chục kg nguyên liệu pin cho mỗi chiếc xe.

Pin của một chiếc ô tô điện được lắp ráp tại nhà máy sản xuất của Audi ở Brussels.

Và các nhà khoa học vật liệu đang phải nghiên cứu hai thách thức lớn về nguyên liệu đối với ngành công nghiệp pin. Một là làm thế nào để giảm lượng kim loại khan hiếm, đắt tiền hoặc có chi phí khai thác cao trong pin. Hai là cải thiện khả năng tái chế pin, để tái sử dụng các kim loại quý trong pin xe đã qua sử dụng một cách hiệu quả.

Hiện nay khai thác kim loại mới để làm pin vẫn ít tốn kém hơn là tái chế, do đó mục tiêu là phát triển được các quy trình giá rẻ thu hồi kim loại, để tái chế có thể cạnh tranh với khai thác kim loại mới. "Chi phí là động lực lớn nhất," Jeffrey Spangenberger, kỹ sư hóa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ở Lemont, Illinois, người quản lý một sáng kiến ​​tái chế pin lithium-ion do liên bang Mỹ tài trợ, được gọi là ReCell, cho biết.

Tương lai của pin lithium

Thách thức đầu tiên là giảm lượng kim loại cần khai thác cho pin lithium-ion dùng trong EV. Lượng kim loại thay đổi tùy thuộc vào loại pin và kiểu xe, nhưng hiện nay, một bộ pin lithium-ion phổ biến cho xe hơi (bộ pin NMC532) chứa khoảng 8 kg lithium, 35 kg niken, 20 kg mangan và 14 kg coban, theo số liệu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Mỹ.

Và khả năng cao là ngành công nghiệp pin sẽ tiếp tục gắn bó với pin lithium-ion, do chi phí của loại pin này trong những năm gần đây giảm mạnh. Hiện pin lithium-ion rẻ hơn 30 lần so với thời điểm chúng mới gia nhập thị trường vào đầu những năm 1990, và hiệu suất thì tốt hơn. BNEF dự đoán chi phí của một bộ pin lithium-ion EV sẽ giảm xuống dưới 100 USD mỗi kilowatt giờ vào năm 2023 - thấp hơn khoảng 20% ​​so với hiện nay. Do đó, ô tô điện - hiện vẫn đắt hơn xe xăng - sẽ có mức giá cạnh tranh hơn vào khoảng 2025. (Ở đây chỉ tính chi phí mua xe, vì theo một số ước tính, ô tô điện hiện đã rẻ hơn xe chạy xăng vì tốn ít chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng hơn.)

Một cơ sở sản xuất lithium ở Potosi, Bolivia.

Để tạo ra điện, cực dương của pin lithium-ion phóng các ion lithium sang cực âm. Hai cực này được ngăn cách bởi chất điện phân. Cực âm là bộ phận quyết định giới hạn hiệu suất của pin - và là nơi chứa các kim loại có giá trị nhất. Cực âm của pin lithium-ion làm từ lithium và nhiều kim loại khác (trong hầu hết các ô tô điện là hỗn hợp niken, mangan và coban) và lưu trữ các ion lithium. Khi sạc pin, các ion lithium đi từ cực âm đến cực dương làm từ graphite (than chì), cực dương lưu trữ các ion này đến khi xả pin để tạo ra điện.

Bản thân lithium không khan hiếm. Một báo cáo của BNEF cho biết trữ lượng lithium hiện tại - theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ là vào khoảng 21 triệu tấn - đủ để sản xuất pin đến giữa thế kỷ. Và trữ lượng là một con số không cố định, vì nó tính đến số lượng tài nguyên có thể được khai thác để đem lại lợi nhuận theo giá, công nghệ và quy định hiện hành. Đối với hầu hết các nguyên vật liệu, nếu nhu cầu tăng lên, thì cuối cùng, trữ lượng cũng sẽ tăng theo.

Các nhà nghiên cứu lo ngại hơn về coban, thành phần kim loại có giá trị nhất trong pin hiện tại. Hai phần ba nguồn cung coban toàn cầu được khai thác ở CHDC Congo. Các nhà hoạt động nhân quyền đã bày tỏ quan ngại về các điều kiện khai thác ở đó, đặc biệt là về lao động trẻ em và tác hại đối với sức khỏe của người lao động. Giống như các kim loại nặng khác, coban rất độc nếu không được xử lý đúng cách. Có thể khai thác các nguồn thay thế, chẳng hạn như các mỏ giàu kim loại được tìm thấy dưới đáy biển, nhưng cách khai thác này cũng kéo theo nhiều nguy cơ môi trường. Và niken, một thành phần chính khác của pin, cũng có thể sẽ bị thiếu hụt.

Một công nhân tại hãng xe hơi Renault chuẩn bị tháo dỡ pin ô tô điện. Công ty này cho biết họ dự kiến sẽ tái chế tất cả pin xe điện của mình, nhưng hiện tại chỉ tái chế được khoảng vài trăm bộ pin một năm.

Hạn chế sử dụng kim loại hiếm

Để giải quyết vấn đề thiếu nguyên liệu thô, một số phòng thí nghiệm đã thử nghiệm cực âm có hàm lượng coban thấp hoặc không có coban. Nhưng vật liệu làm cực âm phải được thiết kế sao cho không bị vỡ ra trong quá trình sạc, khi rất nhiều ion lithium bị chuyển sang cực dương. Nhà khoa học vật liệu Arumugam Manthiram tại Đại học Texas ở Austin cho biết, việc bỏ hoàn toàn coban thường làm giảm mật độ năng lượng của pin, bởi vì nó làm thay đổi cấu trúc tinh thể của cực âm và ảnh hưởng đến khả năng giữ lithium.

Manthiram là một trong số các nhà nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề này - ít nhất là trong phòng thí nghiệm: loại bỏ coban khỏi cực âm mà không ảnh hưởng đến hiệu suất pin. “Vật liệu không chứa coban mà chúng tôi đã báo cáo có cấu trúc tinh thể giống như oxit coban lithium, và có cùng mật độ năng lượng hoặc thậm chí tốt hơn,” ông nói. Nhóm của ông đã tinh chỉnh cách thức sản xuất cực âm và thêm một lượng nhỏ các kim loại khác - để vẫn giữ nguyên cấu trúc tinh thể như khi có coban. Ông đã thành lập một công ty khởi nghiệp tên là TexPower để đưa loại pin này ra thị trường trong vòng hai năm tới. Các phòng thí nghiệm khác trên thế giới cũng đang nghiên cứu pin không có coban: đặc biệt, nhà sản xuất xe điện tiên phong Tesla, có trụ sở tại Palo Alto, California, cho biết họ có kế hoạch loại bỏ coban khỏi pin trong vài năm tới.

Niken, mặc dù không đắt như coban, nhưng cũng không hề rẻ. Các nhà nghiên cứu cũng muốn loại bỏ kim loại này. Gerbrand Ceder, một nhà khoa học vật liệu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở Berkeley, California, cho biết: “Chúng tôi đã giải quyết được tình trạng khan hiếm coban, và hiện đang hướng đến loại bỏ niken." Nhưng việc loại bỏ cả coban và niken sẽ yêu cầu chuyển sang cực âm với cấu trúc tinh thể hoàn toàn khác so với cực âm thông thường.

Các công nhân khai thác coban gần một mỏ nằm giữa Lubumbashi và Kolwezi, thuộc CHDC Congo.

Một phương pháp là sử dụng muối đá rối loạn (bao gồm các nguyên tử lithium, vanadi và oxy giống như muối ăn thông thường, nhưng được phân bố ngẫu nhiên). Nhóm của Ceder và một số nhóm khác chỉ ra rằng một số loại muối đá giàu lithium nhất định dễ dàng giữ và xả lithium - một đặc tính quan trọng để có thể sạc pinnhiều lần. Tuy nhiên, không giống như các vật liệu cathode thông thường, muối đá rối loạn không cần coban hoặc niken để duy trì ổn định trong suốt quá trình đó. Đặc biệt, chúng có thể được sản xuất từ mangan, một chất rẻ và dồi dào, Ceder nói.

Tái chế hiệu quả hơn

Nhưng nếu pin EV được sản xuất mà không có coban, công việc nghiên cứu tái chếhiện nay sẽ trở nên... vô nghĩa. Coban là vật liệu chính mà các quy trình tái chế pin hướng đến, bởi vì các vật liệu khác, đặc biệt là lithium, hiện có giá khai thác rẻ hơn so với tái chế.

Thông thường, trong một nhà máy tái chế, trước tiên, pin được nghiền nhỏ thành bột. Hỗn hợp này được chia nhỏ thành các thành phần nguyên liệu riêng, bằng cách hóa lỏng nó trong một lò luyện hoặc bằng cách hòa tan nó trong axit. Cuối cùng, các kim loại được kết tủa ra khỏi dung dịch dưới dạng muối.

Một máy nghiền công nghiệp nghiền các mô-đun pin tại nhà máy tái chế Duesenfeld ở Đức.

Các nỗ lực nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện quy trình để làm cho lithium tái chế trở nên rẻ hơn so với khai thác và có lợi nhuận. Phần lớn pin lithium-ion được sản xuất ở Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc; theo đó, khả năng tái chế đang phát triển nhanh nhất ở các nước này. Ví dụ, Brunp, một công ty con của CATL - nhà sản xuất pin lithium-ion lớn nhất Trung Quốc, có thể tái chế 120.000 tấn pin mỗi năm, tương đương với lượng pin sử dụng trong hơn 200.000 chiếc ô tô, và công ty này có thể thu hồi phần lớn lithium, coban và niken.

Hans Eric Melin, giám đốc điều hành của Circular Energy Storage, một công ty tư vấn ở London, cho biết các chính sách của chính phủ Trung Quốc đang khuyến khích ngành tái chế: Trung Quốc đã có các ưu đãi về tài chính đối với các công ty pin sử dụng nguồn nguyên liệu từ các công ty tái chế thay vì nhập khẩu nguyên liệu mới khai thác.

Ủy ban Châu Âu cũng đã đề xuất các yêu cầu nghiêm ngặt về tái chế pin, có thể sẽ đi vào thực hiện theo từng giai đoạn từ năm 2023 - mặc dù vẫn chưa rõ khối này có triển vọng phát triển ngành công nghiệp tái chế pin nội địa không. Trong khi đó, chính quyền Mỹ đang muốn chi hàng tỷ USD để thúc đẩy ngành sản xuất pin EV trong nước và hỗ trợ tái chế. Một số công ty khởi nghiệp ở Bắc Mỹ cho biết họ đã có thể thu hồi phần lớn thành phần kim loại của pin, bao gồm cả lithium, với chi phí cạnh tranh được với chi phí khai thác, mặc dù các nhà phân tích cho rằng hiện nay tái chế chỉ có lợi nhuận vì coban.

Dây chuyền sản xuất ô tô điện tại nhà máy của hãng xe Nio ở Hợp Phì, Trung Quốc.

ReCell, chương trình hợp tác trị giá 15 triệu USD do Spangenberger quản lý, bao gồm ba phòng thí nghiệm quốc gia, ba trường đại học và nhiều doanh nghiệp trong ngành, đang phát triển các kỹ thuật chiết xuất các cấu trúc tinh thể trong cực âm. Một bước quan trọng, sau khi pin đã được nghiền nhỏ, là tách các vật liệu cực âm ra trước, bằng cách sử dụng nhiệt, hóa chất hoặc các phương pháp khác. “Chúng tôi muốn tìm cách giữ lại cấu trúc tinh thể, bởi vì tốn rất nhiều năng lượng và kỹ thuật để tạo thành cấu trúc này trong pin. Đó là yếu tố rất giá trị,” Linda Gaines, nhà hóa học vật lý tại Argonne và là nhà phân tích chính của ReCell, cho biết.

Gaines nói rằng các kỹ thuật tái xử lý của ReCell có thể áp dụng với một loạt các cấu trúc và thành phần tinh thể khác nhau. Nhưng nếu một trung tâm tái chế cùng lúc nhận được nhiều loại pin, quy trình của ReCell sẽ gặp khó khăn, vì phải tách coban và niken cùng lúc từ hai (hoặc nhiều) loại pin với các tỷ lệ coban và niken khác nhau. Vì lý do này, pin EV trong tương lai sẽ phải mang một số loại mã vạch tiêu chuẩn hóa để người tái chế biết có những gì bên trong và tỷ lệ của chúng, Spangenberger nói.

Và tất nhiên, một vấn đề tiềm ẩn khác là thành phần pin không ngừng thay đổi. Các cực âm mà các nhà sản xuất sẽ sử dụng vào thời điểm 10-15 năm tới - vào cuối vòng đời của những chiếc ô tô điện hiện nay - có thể sẽ khác với ngày nay. Cách tái chế hiệu quả về lâu dài nhất có thể là buộc các nhà sản xuất thu thập pin của chính họ vào cuối vòng đời sản phẩm, và thiết kế pin dễ tháo lắp hơn ngay từ đầu, Gaines nói thêm.

Theo: Doanh số bán ô tô điện tăng cao ở châu Âu (khoahocphattrien.vn)