Tương lai của công nghệ pin cho xe điện

Nhiều công ty đa quốc gia về ô tô cũng ban hành lộ trình tương tự. Một cuộc chạy đua gấp rút cho điện khí hóa đang được tăng tốc theo cách mà ngay cả những người ủng hộ nhiệt tình nhất cũng không thể mơ tới, chỉ cách vài năm trước đây. Nhưng ngay cả khi không có các chính sách hoặc quy định mới, một nửa doanh số bán xe chở khách trên toàn cầu vào năm 2035 sẽ là xe điện, theo công ty tư vấn BloombergNEF (BNEF) ở London.

Tháng 5/2021, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đã đưa ra tuyên bố về “sự chuyển đổi từ hệ thống sử dụng nhiều nhiên liệu sang hệ thống năng lượng sử dụng nhiều nguyên liệu”. Trong những thập kỷ tới, hàng trăm triệu phương tiện sẽ ra đường, mang theo những cục pin khổng lồ bên trong. Và mỗi viên pin đó sẽ chứa hàng chục kilogram nguyên liệu vẫn chưa được khai thác.

Ô tô điện đang được chính phủ các nước khuyến khích sử dụng và sẽ trở thành xu hướng tiêu dùng chính của tương lai. Nhưng điều này cũng đặt thách thức cho các nhà khoa học cần tìm tìm kiếm phương pháp tái chế pin.

Bài toán hóc búa về tái chế pin xe điện

Trong khi ô tô sử dụng động cơ đốt trong lấy năng lượng từ việc đốt cháy xăng hoặc dầu diesel, thì ô tô điện lấy năng lượng trực tiếp từ một bộ pin lớn. Như một phiên bản mở rộng của pin lithium-ion (li-ion) trong điện thoại di động, pin xe điện (EV) không sử dụng pin đơn như điện thoại, mà là một gói bao gồm hàng nghìn tế bào Li-ion hoạt động cùng nhau. Khi ô tô sạc, điện sẽ tạo ra các biến đổi hóa học bên trong pin. Khi xe chạy trên đường, những thay đổi này được đảo ngược để tạo ra điện.

Pin EV trải qua các chu kỳ “xả” khi chạy xe và “sạc” khi ô tô được cắm điện. Việc lặp lại quá trình này theo thời gian sẽ ảnh hưởng đến lượng sạc mà pin có thể giữ được. Điều này làm giảm phạm vi và thời gian cần thiết giữa mỗi hành trình để sạc. Hầu hết các nhà sản xuất đều có bảo hành từ 5 - 8 năm đối với pin của họ. Tuy nhiên, dự đoán hiện nay là pin xe điện sẽ có tuổi thọ từ 10 - 20 năm trước khi cần được thay thế.

Bản thân lithium - thành phần chính của pin xe điện không khan hiếm. Một báo cáo của BNEF2 ước tính rằng trữ lượng hiện tại của kim loại này là 21 triệu tấn, theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, đủ để chuyển đổi sang EV cho đến giữa thế kỷ này. Và trữ lượng là một khái niệm linh hoạt vì đại diện cho lượng tài nguyên có thể được khai thác một cách kinh tế theo giá hiện hành và dựa trên các yêu cầu về công nghệ và quy định hiện hành.

Dự đoán về một thế giới phần lớn sử dụng xe điện, các nhà khoa học vật liệu đang nghiên cứu hai thách thức lớn. Một là làm thế nào để cắt giảm kim loại trong pin khan hiếm, đắt tiền hoặc chi phí khắc nghiệt về môi trường và xã hội. Một biện pháp khác là cải thiện khả năng tái chế pin, để kim loại có giá trị trong pin ô tô đã qua sử dụng có thể được tái sử dụng một cách hiệu quả.

Kwasi Ampofo, một kỹ sư khai thác mỏ, nhà phân tích hàng đầu về kim loại và khai thác tại BloombergNEF (BNEF) cho biết: “Tái chế sẽ đóng một vai trò quan trọng trong sự kết hợp này”. Ông cũng cho biết khi ô tô được điện hóa, thách thức nằm ở việc mở rộng sản xuất lithium để đáp ứng nhu cầu. “Lượng pin sẽ tăng lên khoảng 7 lần trong khoảng thời gian từ năm 2020 đến năm 2030”.

Sự gia tăng khai thác lithium mang theo những lo ngại về môi trường: các hình thức khai thác hiện nay đòi hỏi lượng năng lượng dồi dào (đối với lithium chiết xuất từ đá) hoặc nước (đối với khai thác từ nước muối). Nhưng các kỹ thuật hiện đại hơn chiết xuất lithium từ nước địa nhiệt, sử dụng năng lượng địa nhiệt để thúc đẩy quá trình, được coi là lành tính hơn. Và bất chấp tổn thất về môi trường, khai thác lithium sẽ giúp thay thế hoạt động khai thác nhiên liệu hóa thạch có tính hủy diệt.

Các nhà nghiên cứu lo lắng hơn về coban, thành phần có giá trị nhất của pin EV hiện tại. Hai phần ba nguồn cung toàn cầu được khai thác ở Cộng hòa Dân chủ Congo. Giống như các kim loại nặng khác, coban rất độc nếu không được xử lý đúng cách. Các nguồn thay thế có thể được khai thác, chẳng hạn như các “nốt sần” giàu kim loại được tìm thấy dưới đáy biển, nhưng lại gây ra những hiểm họa môi trường riêng. Và niken, một thành phần chính khác của pin EV, cũng có thể gặp phải tình trạng thiếu hụt.

Tương lai của công nghệ pin cho xe điện - Ảnh 1. — Tesla Model S (Ảnh: wikipedia)

Bộ pin của Tesla Model S là một kỳ công của kỹ thuật phức tạp. Hàng nghìn tế bào hình trụ với các thành phần có nguồn gốc từ khắp nơi trên thế giới biến lithium và electron thành năng lượng đủ để đẩy chiếc xe đi hàng trăm km lặp đi lặp lại mà không thải ra khí thải. Nhưng khi pin hết tuổi thọ, những lợi ích xanh sẽ mờ dần vì dừng chân ở bãi rác, pin chỉ thải ra chất độc, bao gồm cả kim loại nặng. Và tái chế pin có thể là một ngành kinh doanh nguy hiểm, nhà khoa học vật liệu Dana Thompson của Đại học Leicester cảnh báo. Cắt quá sâu vào pin Tesla, hoặc không đúng chỗ có thể gây đoản mạch, cháy và thải ra khói độc.

Đó chỉ là một trong nhiều vấn đề các nhà nghiên cứu đang phải đối mặt, trong đó Thompson, người đang cố gắng giải quyết một vấn đề mới nổi: làm thế nào để tái chế hàng triệu EV dự kiến sẽ ra đời vài thập kỷ tới. Theo nhà nghiên cứu tại Viện Faraday - một trung tâm nghiên cứu tập trung vào các vấn đề về pin ở Vương quốc Anh, “thực sự pin không được thiết kế để tái chế”.

Một số nhà sản xuất ô tô cho biết họ có kế hoạch loại bỏ dần động cơ đốt trong vòng vài thập kỷ, và các nhà phân tích trong ngành dự đoán sẽ có ít nhất 145 triệu chiếc EV được tung ra thị trường vào năm 2030, tăng so với chỉ 11 triệu chiếc năm ngoái. Đến năm 2030, EU hy vọng rằng sẽ có 30 triệu ô tô điện trên các con đường ở châu Âu. Thompson nói: “Mọi người bắt đầu nhận ra đây là một vấn đề”.

Cuộc đua tái chế

Các chính phủ đang tiến tới yêu cầu một số mức độ tái chế. Năm 2018, Trung Quốc áp đặt các quy định mới nhằm thúc đẩy việc tái sử dụng các thành phần pin EV. Liên minh châu Âu dự kiến sẽ hoàn thành sớm các yêu cầu đầu tiên của mình. Tại Mỹ, chính phủ liên bang vẫn chưa thúc đẩy các quy định về tái chế, nhưng một số tiểu bang, bao gồm California - thị trường ô tô lớn nhất quốc gia - đang khám phá việc đặt ra các quy tắc riêng của họ.

Tuân thủ sẽ không dễ dàng. Pin khác nhau rất nhiều về hóa học và cấu tạo vốn gây khó khăn cho việc tạo ra các hệ thống tái chế hiệu quả. Và các tế bào thường được kết dính với nhau bằng keo cứng khó tách rời. Điều đó đã góp phần gây ra trở ngại kinh tế: các nhà sản xuất pin thường mua kim loại mới khai thác rẻ hơn so với sử dụng vật liệu tái chế.

Các chính phủ và ngành công nghiệp đang bỏ tiền vào một loạt các sáng kiến nghiên cứu. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã bơm khoảng 15 triệu USD vào Trung tâm ReCell để điều phối các nghiên cứu của các nhà khoa học trong Viện và tại các phòng thí nghiệm của chính phủ. Vương quốc Anh đã ủng hộ dự án ReLiB, một nỗ lực đa tổ chức. Linda Gaines, người làm việc trong lĩnh vực tái chế pin tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của DOE, cho biết khi ngành công nghiệp EV phát triển mạnh mẽ, nhu cầu tiến bộ đang trở nên cấp thiết, thì: “Chúng ta có thể vận động mọi thứ càng sớm càng tốt”.

Tương lai của công nghệ pin cho xe điện - Ảnh 2. — Trung tâm ReCell (Ảnh: anl.gov)

Pin EV được thiết kế như những con búp bê lồng vào nhau. Thông thường, một hộp chính chứa một số mô-đun, mỗi mô-đun được xây dựng từ nhiều ô nhỏ hơn. Bên trong mỗi ô, các nguyên tử lithium di chuyển qua một chất điện phân giữa cực dương bằng than chì và bản cực âm được tạo nên từ oxit kim loại. Pin thường được xác định nhờ kim loại trong cực âm và có ba loại chính: niken – coban - nhôm, sắt - phốt phát và niken – mangan - coban.

Giờ đây, các nhà tái chế chủ yếu nhắm vào các kim loại ở cực âm, chẳng hạn như coban và niken, có giá cao, trong khi lithium và than chì quá rẻ để tái chế, không mang lại hiệu quả kinh tế. Nhưng vì số lượng nhỏ, các kim loại này giống như kim trong đống cỏ khô: khó tìm và khó phục hồi.

Một thách thức khác là bẻ khóa pin EV đã sử dụng theo cách hiệu quả. Mô-đun pin Leaf hình chữ nhật của Nissan có thể mất 2 giờ để tháo dỡ. Pin của Tesla không chỉ độc đáo với hình dạng hình trụ, mà còn ở chất liệu xi măng polyurethane gần như không thể phá hủy giữ chúng lại với nhau.

Giới nghiên cứu lưu ý rằng các kỹ sư có thể chế tạo ra những con rô bốt tăng tốc độ tháo rời pin, nhưng độ dính vẫn còn ngay cả sau khi tiếp cận được bên trong pin. Là do nhiều loại keo hơn được sử dụng để giữ các cực dương, cực âm và các thành phần khác tại chỗ. Một loại dung môi mà các nhà tái chế sử dụng để hòa tan chất kết dính cathode độc hại đến mức Liên minh châu Âu đã đưa ra hạn chế sử dụng và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ năm ngoái đã xác định rằng chất này gây ra "rủi ro không đáng có" cho người lao động.

“Về mặt kinh tế, phải tháo rời pin... [và] nếu muốn tháo rời, thì phải loại bỏ keo” - Andrew Abbott, nhà hóa học tại Đại học Leicester và là cố vấn của Thompson nói.

Để kết thúc quá trình, Thompson và các nhà nghiên cứu khác đang thúc giục các nhà sản xuất xe điện và pin bắt đầu lưu ý đến việc tái chế trong quá trình thiết kế. Theo Abbott, loại pin lý tưởng sẽ giống như Blade Battery, một loại pin lithium ferrophosphate do BYD - nhà sản xuất xe điện của Trung Quốc, phát hành năm 2020. Loại pin này loại bỏ thành phần mô-đun, thay vào đó lưu trữ các ô phẳng trực tiếp bên trong, các chi tiết có thể được loại bỏ dễ dàng bằng tay, khi dây và keo không phải là vấn đề lớn như thông thường.

Pin Blade xuất hiện sau khi Trung Quốc năm 2018 bắt đầu yêu cầu các nhà sản xuất xe điện có trách nhiệm đảm bảo pin được tái chế. Quốc gia này hiện tái chế nhiều pin lithium- ion hơn so với phần còn lại của thế giới cộng lại, chủ yếu sử dụng các phương pháp luyện kim và luyện kim thủy lực.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu cho biết việc tái chế pin hiệu quả sẽ đòi hỏi nhiều hơn những tiến bộ công nghệ. Chi phí cao cho việc vận chuyển các vật dụng dễ cháy trong khoảng cách xa hoặc xuyên biên giới không khuyến khích việc tái chế. Kết quả là, việc đặt các trung tâm tái chế ở đúng nơi có thể có tác động lớn. Nhưng sẽ có một thách thức thực sự trong việc tích hợp hệ thống và tập hợp tất cả các nghiên cứu khác nhau này lại với nhau.

Năm 2020, mẫu xe được cho là chiến thắng vĩ đại của GM trước Tesla - Chevrolet Bolt - chiếc xe điện thực sự dành cho thị trường đại chúng đầu tiên của Hoa Kỳ - đã bắt đầu giống một thảm họa hơn khi Bolt bị thu hồi vì một loạt vụ cháy hy hữu nhưng có tính hủy diệt cao bùng phát khi tài xế để xe sạc qua đêm. GM đã tìm ra vấn đề từ các sai sót trong tế bào pin lithium-ion do LG Chem của Hàn Quốc sản xuất.

Giờ đây, nhà sản xuất ô tô đang mở rộng đợt triệu hồi toàn bộ 141.000 Bolt được bán ra trên toàn thế giới kể từ năm 2017. Có rất nhiều việc phải làm cho việc khắc phục. Không giống như các loại pin axit chì có kích thước bằng lò nướng bánh bên trong hầu hết các loại xe chạy bằng khí đốt, bộ pin lithium-ion bên trong Bolt chạy hết chiều dài cơ sở của xe và nặng 960 pound, chứa hàng trăm chi tiết rất tinh vi và phức tạp. Việc tháo rời để sửa chữa có thể nguy hiểm và xử lý không đúng có thể dẫn đến khói độc và hỏa hoạn.

Spiers, người mà 11 năm trước đó đã thảo luận với người đứng đầu bộ phận phát triển của GM về kế hoạch xử lý pin khi bị hỏng, sau đó lập một doanh nghiệp tên là Spiers New Technologies (SNT) hiện đảm nhận công việc hậu cần cho pin EV đã hỏng hoặc sắp hỏng từ mọi nhà sản xuất ô tô lớn ở Mỹ, ngoại trừ Telsa. Và khi sự việc của GM xảy ra, ngay lập tức ông được kêu gọi giúp đỡ.

Khi không thể sửa hoặc tái sử dụng pin, công ty sẽ tái chế một số pin tại chỗ. Nhà kho chính của SNT ở thành phố Oklahoma chứa hàng trăm pin ô tô điện, xếp chồng lên nhau trên các kệ cao 30 feet. Với việc thu hồi Bolt, GM sẽ gửi SNT nhiều pin hơn nữa.

Những bộ pin đó và hàng triệu bộ pin khác cuối cùng sẽ ra mắt, là một thách thức đối với tương lai điện khí hóa của thế giới. Các nhà sản xuất ô tô đang đổ hàng tỷ USD vào quá trình điện khí hóa với hứa hẹn rằng thế hệ ô tô này sẽ sạch hơn so với những chiếc xe tiền nhiệm chạy bằng khí đốt.

Nhưng trong khi đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm khí thải, pin xe điện cũng đồng thời là một quả bom hẹn giờ hủy hoại môi trường. Theo một ước tính, hơn 12 triệu tấn pin lithium-ion dự kiến sẽ ngừng hoạt động từ nay đến năm 2030.

Điều cuối cùng mà bất cứ ai cũng muốn là không lãng phí pin. Pin lithium-ion, giống như các thiết bị điện tử khác, rất độc hại và có thể gây ra các đám cháy hủy diệt, lây lan nhanh chóng, đặc biệt có nguy cơ đặc biệt cao khi được cất giữ cùng nhau. Một báo cáo gần đây của Cục Bảo vệ môi sinh Hoa Kỳ (EPA) cho thấy pin lithium-ion đã gây ra ít nhất 65 vụ cháy tại các cơ sở xử lý rác thải đô thị vào năm ngoái, mặc dù hầu hết từ các loại pin nhỏ hơn, như pin dành cho điện thoại di động và máy tính xách tay. Trong nhà kho của SNT, các đường nước khẩn cấp màu đỏ tươi chạy dọc trần nhà, một biện pháp bảo vệ chống lại thảm họa.

Nhìn theo cách lạc quan, những loại pin cũ đó là cơ hội cho một tương lai ô tô xanh hơn. Xe điện thân thiện với môi trường hơn so với các loại xe chạy bằng khí đốt và vẫn đi kèm với chi phí môi trường. Pin chứa các khoáng chất có giá trị như coban và lithium, chủ yếu được khai thác và xử lý ở những nơi khiến cộng đồng địa phương phải trả giá đắt do lạm dụng lao động và các nguồn tài nguyên quan trọng như nước và góp phần vào tăng lượng khí thải carbon toàn cầu.

Do đó, nhu cầu về ô tô điện mới sẽ “giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính ở các nước phát triển và các trung tâm đô thị, đồng thời cũng có những nơi phải hy sinh như là nơi khai thác vật liệu”, Hanjiro Ambrose, một kỹ sư tại Viện Nghiên cứu Giao thông vận tải của Đại học California, Davis, cho biết.

Tương lai của công nghệ pin cho xe điện - Ảnh 3.

Trong một thế giới lý tưởng, mỗi viên pin lithium-ion xếp chồng lên nhau trong nhà kho Oklahoma sẽ được tái sử dụng và tái chế, để tạo ra pin lithium-ion có tuổi thọ 10, 25, thậm chí 50 năm kể từ bây giờ - với ít vật liệu mới cần thiết. Các chuyên gia gọi đây là “nền kinh tế tuần hoàn". Các nhà tái chế đang chạy đua tìm ra phương pháp hữu hiệu và thân thiện với hành tinh để biến lượng pin đã qua sử dụng thành một thứ mới.

Những người tham gia bao gồm Redwood Materials, một công ty ở Nevada do các cựu giám đốc điều hành Tesla lãnh đạo; Northvolt của châu Âu; và Li-Cycle có trụ sở tại Toronto. Một dự định khác là ép mọi electron có thể có từ pin trước khi tái chế bằng cách cung cấp cách sử dụng thứ hai hoặc thứ ba sau khi bị tháo rời khỏi ô tô.

Hàng trăm triệu đô la đang đổ vào các công ty khởi nghiệp tái chế và các trung tâm nghiên cứu để tìm ra cách tháo rời pin và chiết xuất kim loại có giá trị trên quy mô lớn. Nhưng “tái chế không phải là giải pháp đầu tiên”, James Pennington, người đứng đầu chương trình kinh tế tuần hoàn của Diễn đàn Kinh tế Thế giới, cho biết “điều tốt nhất nên làm lúc đầu là giữ cho mọi thứ sử dụng được lâu hơn”.

Công ty năng lượng Enel Group đang sử dụng 90 pin đã hỏng từ xe Nissan Leaf trong một cơ sở lưu trữ năng lượng ở Melilla, Tây Ban Nha, nơi được cách ly với lưới điện quốc gia Tây Ban Nha. Tại Anh, công ty năng lượng Powervault hợp tác với Renault để trang bị hệ thống lưu trữ năng lượng gia đình bằng pin đã nghỉ hưu.

Có một động lực lớn đằng sau việc tái chế pin lithium- ion. Trong báo cáo tác động công bố vào tháng 8/2020, Tesla thông báo rằng đã bắt đầu xây dựng khả năng tái chế tại Gigafactory ở Nevada để xử lý pin thải. Nhà máy Redwood Materials do cựu giám đốc công nghệ của Tesla - JB Straubel thành lập, hoạt động ngoài thành phố Carson, Nevada, đã huy động được hơn 700 triệu USD vào tháng 7/2020, thực hiện tiếp nhận pin chết, chiết xuất các vật liệu có giá trị như đồng và coban, sau đó đưa các kim loại tinh luyện trở lại chuỗi cung ứng pin.

Về lý thuyết, theo nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Alissa Kendall - giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Đại học California, vật liệu tái chế có thể cung cấp hơn một nửa lượng coban, lithium và niken cho các loại pin mới vào năm 2040, khi xe điện trở nên phổ biến hơn.

Ngành công nghiệp xe điện mới nổi cần một quy trình kết thúc vòng đời pin thông minh, cùng với các trạm sạc rộng rãi, các kỹ thuật viên ô tô được đào tạo và một lưới điện kiên cố. Đó là cơ sở hạ tầng thiết yếu, chìa khóa để làm cho tương lai điện khí Chóa của chúng ta trở nên xanh nhất có thể. Kendall nói: “Chúng ta phải kiểm soát những viên pin hết tuổi thọ này”.

Tài liệu tham khảo:

[1]. https://www.nature.com/articles/d41586-021-02222-1

[2]. https://www.edfenergy.com/electric-cars/batteries

[3]. https://www.nature.com/articles/d41586-021-02222-1

[4]. https://www.science.org/content/article/millions-electric-cars-are-coming-what-happens- all-dead-batteries

[5]. https://www.wired.com/story/cars-going-electric-what-happens-used-batteries/

[6]. https://www.birmingham.ac.uk/research/energy/news/2021/electric-cars-what-will- happen-to-all-the-dead-batteries.aspx

[7]. https://www.theguardian.com/environment/2021/aug/20/electric-car-batteries-what- happens-to-them

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 4 tháng 4/2022)