Pin tái chế có thể hoạt động hiệu quả như pin sản xuất mới

Năng lượng và tuổi thọ pin phụ thuộc phần lớn vào khối lượng nguyên tử kim loại của Cathode cũng như khả năng bắt và giải phóng ion-lithium của chúng. Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư đã cố gắng cải thiện chuyển động giữa các phân tử và nhận được nhiều tín hiệu tích cực. Tuy nhiên, Cathode cũng là nơi gặp nhiều sự cố nhất của pin. Theo thời gian, cấu trúc hoàn hảo của chúng bắt đầu mất đi tính toàn vẹn, các liên kết phần tử rơi vào tình trạng bị lỏng lẻo hoặc tắc nghẽn. Điều này sẽ khiển tuổi thọ pin suy giảm nghiêm trọng. 

Tuy nhiên ngay cả khi cấu trúc bị lỗi, các nguyên tử bên trong cực âm vẫn không thay đổi. Đây là lý do tại sao, về mặt lý thuyết, việc tái sử dụng pin là hoàn toàn khả thi. Alan Nelson, phó chủ tịch cấp cao về vật liệu pin của Redwood Materials – một công ty chuyên về tái chế, cho biết “Nguyên tử kim loại là nguyên tử kim loại. Phần tử đó không biết trước đây nó nằm trong pin hay trong mỏ.” Đây có thể là một điều tốt, bởi vì nhiều nguyên tử trong số đó, bao gồm các kim loại như coban và niken, đang bị thiếu hụt nghiêm trọng. Chúng chỉ được tìm thấy với khối lượng lớn ở những nơi mà việc khai thác là rất tốn kém và gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái toàn cầu. Công ty của Nelson đã công bố kết quả thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne khi so sánh vật liệu tái chế với vật liệu nguyên chất. Kết quả thu được đã chứng minh rằng hiệu suất của hai vật liệu là gần như giống hệt nhau. 

Redwood là một trong số những công ty đang nỗ lực tái chế pin cũ thành vật liệu cho pin mới. Theo đó, giải pháp này sẽ tái sử dụng chất thải và giảm bớt áp lực lên các mỏ khoáng sản mới. Vào năm ngoái, công ty đã bất ngờ công bố kế hoạch sản xuất vật liệu Cathode của riêng mình thay vì chỉ bán nguyên liệu thô tái chế cho các nhà cung cấp khác như ban đầu. Redwood đã quyết định đầu tư 3,5 tỷ USD trong vòng 10 năm để xây dựng một nhà máy mới bên ngoài Reno, Nevada. Công ty cũng tiết lộ thêm về dự định sản xuất đủ vật liệu Cathode (cũng như lá cực dương đồng) cho 100GWh tế bào pin vào năm 2025. Đây là mức tương đương với những gì CATL – nhà sản xuất thống trị thị trường pin đến từ Trung Quốc – đã sản xuất vào năm ngoái. 

Điều này đánh dấu sự khởi đầu cho ngành công nghiệp pin tại Hoa Kỳ. Mặc cho một loạt các thông báo về sản xuất, chính sách hỗ trợ xây dựng cơ sở hạ tầng và những điều khoản khí hậu được đề cập trong Đạo luật Giảm lạm phát, nhiều chính phủ vẫn chọn giải pháp lắp ráp tế bào và gói pin để tạo điều kiện cho nhà sản xuất và người tiêu dùng. Trong khi đó, Hoa Kỳ đã phải vật lộn để xây dựng các ngành công nghiệp nằm trong chuỗi cung ứng — từ khai thác các khoáng chất quan trọng như lithium và coban đến quá trình xử lý để biến chúng thành các thành phần như Cathode. Và hầu hết những thao tác này đều được thực hiện ở một nơi khác. Theo Benchmark Mineral Intelligence, một nhóm nghiên cứu về chuỗi cung ứng pin, Trung Quốc hiện sản xuất 78% nguyên liệu Cathode của thế giới và tỷ lệ đó sẽ tăng lên 90% vào năm 2030, bất chấp những nỗ lực đầu tư vào nguồn cung cấp pin nội địa của Mỹ.

Hans Eric Melin, người sáng lập Circular Energy Storage – công ty tư vấn theo dõi quá trình tái chế pin, cho biết lý do khiến các công ty Trung Quốc vẫn chiếm ưu thế là họ có quy trình sản xuất pin khép kín. Việc sản xuất pin nội địa cho phép chính phủ kiểm soát vật liệu phế liệu và nhanh chóng tái sử dụng chúng. Đồng thời, việc nội địa hóa chuỗi cung ứng phức tạp để tinh chế kim loại thô thành cấu trúc Cathode toàn vẹn sẽ giúp đất nước tập trung chuyên môn và giảm chi phí vận chuyển.

Redwood là một trong những công ty đang cố gắng thắt chặt vòng sản xuất pin tại Hoa Kỳ. Theo đó, các thử nghiệm do những nhà nghiên cứu độc lập tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thực hiện chính là bước đầu trong quy trình kiểm định chất lượng vật liệu để sản xuất pin. Quá trình này bắt đầu bằng cách tách pin ra, phá vỡ các thành phần của chúng bằng nhiệt và axit, sau đó chuyển hóa thành các hợp chất sulfat kim loại, bao gồm các nguyên tố như coban, mangan và niken.

Khi các kim loại đó đã được tách ra, bước tiếp theo là ghép chúng lại với nhau. Thiết kế được thử nghiệm bởi các nhà nghiên cứu Argonne có tên là NMC-811: 80% niken, 10% mangan và 10% coban. Các nhà nghiên cứu đã lấy hai bộ vật liệu — sulfat kim loại tái chế do Redwood cung cấp và sulfat được làm bằng nguyên liệu thô— sau đó trộn lẫn các nguyên tố với nhau và xếp chúng thành các hàng liti. Kết quả thu được là vật liệu Cathode có thể gắn vào các tế bào pin và vượt qua một loạt các bài kiểm tra theo tiêu chuẩn. 

Các bài kiểm tra này sẽ đo công suất, vòng đời và dung lượng, liên quan đến năng lượng của pin. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cả hai loại Cathode – tái chế và nguyên chất – đều đưa ra kết quả gần giống hệt nhau. (Trong một số trường hợp, phiên bản tái chế thậm chí còn đưa ra kết quả tốt hơn). Jason Crou, một nhà khoa học nghiên cứu pin thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, cũng là người đứng đầu dự án cho biết “Thành thật mà nói, đây là một kết quả khá nhàm chán nhưng lại không có tính chắc chắn cao”. Mặc dù nguyên tử vẫn là nguyên tử, nhưng không có gì đảm bảo rằng quá trình tái chế sẽ tạo ra sản phẩm làm hoàn toàn từ kim loại nguyên chất. Vẫn sẽ có khả năng sản phẩm pin tái chế vẫn tồn tại những điểm bất thường và cấu trúc Cathode bị ảnh hưởng trong suốt quá trình. Hiện tại, Redwood vẫn đang cố gắng mở rộng quy mô sản xuất cũng như thử nghiệm vật liệu bởi các nhà sản xuất pin và xe điện.

Việc thu thập được đủ nguyên tử tái chế để giảm nhu cầu khai thác vật liệu nguyên chất có thể sẽ là thử thách lớn đối với Redwood. Hiện nay, số lượng phương tiện điện đủ tuổi để được tái chế là rất ít. Theo các nhà phân tích, những phương tiện điện sẽ có thời gian sử dụng lâu hơn nhiều so với dự kiến. Trong khi đó, Redwood và các công ty khởi nghiệp tái chế khác đang cạnh tranh để đảm bảo nguồn pin đa dạng. Những nguồn này bao gồm ô tô lai (để cung cấp Niken), các dụng cụ điện (cung cấp oxit mangan lithium) và những thiết bị nhỏ như điện thoại (thường chứa tỷ lệ coban cao). Ông Nelson cho biết “Chúng tôi vẫn còn cảm thấn rất an tâm rằng, dựa trên nguồn nguyên liệu hiện có, chúng tôi sẽ có thể cung cấp 30% niken tái chế và 30% lithium tái chế ”. Do nhu cầu về coban trong các thiết kế pin mới hơn đang giảm, ông hy vọng việc tái chế sẽ đáp ứng tất cả các nhu cầu sử dụng kim loại của Redwood.

Tuy nhiên, công ty cũng sẽ cần tìm rất nhiều nguồn cung vật liệu mới để tự sản xuất Cathode, giống như các nhà sản xuất pin ở khắp mọi nơi. Melin chia sẻ “Tôi nghĩ điều quan trọng là phải coi Redwood như một công ty vật liệu hơn là một công ty tái chế”. Ông chỉ ra rằng khoảng một nửa nguyên liệu sản xuất pin của công ty hiện nay là từ phế liệu do các nhà sản xuất pin bỏ lại. Mặc dù việc sử dụng chúng để tái sử dụng tại địa phương là điều rất tốt, nhưng trên thực tế đây không phải là nguyên liệu để sản xuất các tế bào pin. Tình trạng này sẽ còn tiếp tục kéo dài trong một thời gian nữa, vì tỷ lệ pin cũ vẫn còn rất thấp so với nhu cầu sử dụng pin mới. Trong khi chờ đợi, thế giới sẽ cần thêm rất nhiều mỏ nữa để đáp ứng nhu cầu của con người. 

(Theo Wired)

Bạn cần đăng nhập để tương tác với nội dung này: Đăng nhập.