Hệ thống pin trên Audi e-tron quattro.
Ford F-150 Lightning, phiên bản chạy điện của dòng xe bán chạy nhất Mỹ, ra mắt đã làm nên một sự kiện lịch sử của ôtô điện thị trường này. Với công suất 530 mã lực, nặng 2.948 kg, khả năng kéo 4.536 kg, mức giá dưới 40.000 USD, chiếc bán tải điện đã thu hút 45.000 khách hàng đặt trước, tương đương gần 20% tổng số xe điện được đăng ký tại Mỹ vào năm ngoái.
Giống như F-150 Lightning, hàng trăm mẫu xe điện khác mà các hãng xe sẽ tung ra trong vài năm tới, báo hiệu cuộc cách mạng xe điện sắp trở thành xu hướng chủ đạo. Nhưng khi ngành công nghiệp xe điện đang nổi lên như là chìa khóa để chống biến đổi khí hậu thì có một thách thức mới xuất hiện: làm thế nào để có được tất cả các khoáng chất cần thiết cho sản xuất pin xe điện.
Lithium, niken, coban và đồng bên trong những viên pin đều được khai thác từ vỏ trái đất. Ngày nay, phần lớn hoạt động khai thác các nguyên liệu đều tập trung ở Nga, Indonesia và Congo, những nơi việc giám sát môi trường kém, tiêu chuẩn lao động thấp và ngành công nghiệp khai thác có lịch sử gây ra xung đột với các cộng đồng địa phương. Với số lượng xe điện dự kiến tăng từ 10 triệu vào năm 2020 lên đến 145 triệu vào năm 2030, nhu cầu về pin khoáng sản đang tăng mạnh.
Để giảm nhu cầu khai thác mới, các chuyên gia nói rằng sẽ phải cải thiện rất nhiều trong việc tái chế pin xe điện khi chúng cạn kiệt. Trong khi chỉ có một số lượng pin xe điện đã cũ trên đường phố hiện nay, hàng triệu tấn pin dự kiến sẽ ngừng hoạt động trong những thập kỷ tới. Những loại pin đó có thể cung cấp một phần đáng kể nhu cầu khoáng sản trong tương lai của ngành công nghiệp xe điện, nhưng cần phải có phương pháp tái chế tốt hơn và các chính sách của chính phủ để hỗ trợ đảm bảo pin không nằm trong các bãi chôn lấp.
Payal Sampat, giám đốc chương trình khai thác phi lợi nhuận về môi trường tại Earthworks nói rằng: "Chúng ta sẽ cần phải đối phó với những vấn đề khí hậu. Chúng ta phải đưa ra một số giải pháp chu đáo khi khai thác các mỏ mới, đó sẽ là giải pháp rất lâu dài".
Pin không còn sử dụng
Pin xe điện là công nghệ phức tạp, nhưng ở mức độ cơ bản, chúng không khác gì pin lithium ion bên trong điện thoại. Các tế bào pin riêng lẻ bao gồm một cực âm kim loại (làm bằng lithium cùng với hỗn hợp các nguyên tố khác có thể bao gồm coban, niken, mangan và sắt), một cực dương bằng than chì, một bộ phân tách và một chất điện phân lỏng bao gồm muối lithium. Khi các ion lithium tích điện từ cực dương sang cực âm, một dòng điện sẽ tạo ra.
Chỉ một viên pin là đủ cung cấp năng lượng cho điện thoại. Để chạy một chiếc ôtô, hàng nghìn cell pin phải được gói lại với nhau – thường là trong một loạt các mô-đun được kết nối thành các khối pin và đặt trong một vỏ kim loại bảo vệ. Nhìn chung, những khối pin được ví như chiếc bánh sandwich điện hóa khổng lồ có thể nặng tới 453 kg mỗi chiếc, trong khi đó, pin của chiếc F-150 Lightning được cho là nặng 907 kg.
Hầu hết các vật liệu quý giá mà các nhà tái chế muốn chiết xuất được tìm thấy trong các ô pin riêng lẻ. Nhưng pin xe điện được thiết kế để giữ được trong nhiều năm và cả nghìn km khi sử dụng. "Vì nhiều lý do chính đáng, bạn không muốn chúng rời ra ngay lập tức", Paul Andersen, điều tra viên nguyên tắc cho dự án tái sử dụng và tái chế pin Lithium Ion của viện Faraday tại đại học Birmingham, Anh nói.
Một phần do chi phí và sự phức tạp của việc tháo rời pin xe điện, các phương pháp tái chế ngày nay khá thô sơ. Sau khi hết pin và loại bỏ lớp vỏ cứng cáp bên ngoài, các mô-đun thường được cắt nhỏ và ném vào lò nung. Các vật liệu nhẹ hơn như lithium và mangan bị đốt cháy, để lại một loại bùn hợp kim chứa các kim loại có giá trị cao hơn như đồng, niken và coban. Các kim loại riêng lẻ sau đó có thể được tinh chế ra khỏi hợp kim bằng cách sử dụng axit mạnh. Các quá trình này, được gọi là thu hồi nhiệt luyện kim và thủy luyện, đòi hỏi một lượng lớn năng lượng và tạo ra khí độc, do đó các chất thải cần được thu hồi lại.
Trong khi coban và niken thường được thu hồi với tỷ lệ cao, trong hầu hết các trường hợp, lithium không đủ giá trị để tái chế. Nếu lithium được thu hồi, sẽ không có chất lượng phù hợp để sản xuất pin mới.
Trong tương lai, có thể có một lựa chọn sạch hơn và hiệu quả hơn: tái chế trực tiếp hoặc tách vật liệu cathode (cực âm) ra khỏi các tế bào pin riêng lẻ và phục hồi các hỗn hợp hóa chất bên trong nó, bằng cách thêm lithium vốn đã cạn kiệt do sử dụng, thay vì chiết xuất kim loại riêng lẻ từ hỗn hợp. Theo Gavin Harper, một nhà nghiên cứu tại viện Faraday, trong khi các phương pháp tái chế trực tiếp vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, phương pháp này có thể cho phép các nhà tái chế thu hồi nhiều vật liệu bên trong pin hơn và thu được sản phẩm cuối có giá trị cao hơn.
Harper nói: "ta thu được giá trị từ nguyên liệu thô, nhưng có nhiều giá trị hơn bằng cách kết hợp những nguyên liệu đó. Đó sẽ là loại Chén Thánh tái chế - để cố gắng và giữ lại giá trị trong cấu trúc, không chỉ trong vật liệu".
Mở rộng quy mô ngành công nghiệp
Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) ước tính thế giới hiện có đủ năng lực để tái chế 180.000 tấn pin xe điện không thể sử dụng mỗi năm. Để so sánh, tất cả các xe điện được đưa vào hoạt động vào năm 2019 và cuối cùng sẽ tạo ra 500.000 tấn chất thải pin.
Và đó chỉ là một năm. Đến năm 2040, IEA ước tính có thể có 1.300 gWh pin đã qua sử dụng cần được tái chế. Để nói về khối lượng, Harper lưu ý rằng bộ pin 80 kWh từ Tesla Model 3 chỉ nặng hơn 453 kg. Nếu tất cả những viên pin đã qua sử dụng đó của những chiếc Tesla Model 3, thì lượng pin đã sử dụng này tương đương với gần 8 triệu tấn chất thải pin, gấp 1,3 lần khối lượng của kim tự tháp Giza.
Nếu việc tái chế có thể được mở rộng, chất thải đó có thể là một nguồn khoáng chất đáng kể. Trong một kịch bản phát triển bền vững, nơi thị trường xe điện phát triển với tốc độ phù hợp cùng việc hạn chế sự nóng lên toàn cầu xuống dưới 2 độ C, IEA ước tính rằng việc tái chế có thể đáp ứng tới 12% nhu cầu khoáng sản của ngành công nghiệp xe điện vào năm 2040. Nhưng nếu cùng một kịch bản khí hậu được kết hợp với một tập hợp các giả định tái chế lạc quan hơn, thì việc tái chế có thể đóng một vai trò lớn hơn nhiều.
Một báo cáo gần đây do Earthworks ủy quyền cho thấy rằng nếu chúng ta giả định 100% pin EV đã qua sử dụng được thu gom để tái chế và thu hồi khoáng chất, đặc biệt là đối với lithium, việc tái chế có thể đáp ứng tới 25% nhu cầu lithium và 35% coban và niken của ngành công nghiệp xe điện vào năm 2040.
Nick Florin, giám đốc nghiên cứu tại đại học công nghệ Sydney, đã viết trong một email báo cáo rằng "những ước tính này không nhằm mục đích dự đoán tương lai". "Chúng tôi đưa ra một tương lai khả thi để khám phá tầm quan trọng của việc tái chế có thể là một chiến lược chính để bù đắp nhu cầu khai thác mới".
Để khai phá tiềm năng đó, Florin và các đồng tác giả của ông nhấn mạnh sự cần thiết của các chính sách mạnh mẽ của chính phủ để hỗ trợ tái chế pin xe điện. Chúng có thể bao gồm các tiêu chuẩn về thiết kế pin cho phép các nhà tái chế tháo rời chúng dễ dàng hơn, các chương trình thu hồi pin, luật cấm chôn lấp và các quy định giúp vận chuyển chất thải pin nguy hại qua các khu vực pháp lý để tái chế dễ dàng hơn.
Liên minh châu Âu đã quy định việc thải bỏ pin xe điện theo chương trình "trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất" và đang cập nhật các quy định để đặt ra các mục tiêu cụ thể cho việc thu hồi khoáng sản. Nhưng chỉ có ba bang của Hoa Kỳ đã mở rộng các yêu cầu trách nhiệm của nhà sản xuất, buộc các nhà sản xuất pin lithium-ion phải giải quyết chất thải của họ.
Benjamin Hitchcock Auciello, điều phối viên của Earthworks cho biết: "Đặt trách nhiệm đảm bảo rằng pin hết tuổi thọ được thu thập cho nhà phân phối chúng ra thị trường là một giải pháp chính sách rất rõ ràng. Tạo ra chương trình năng lượng sạch, công bằng và bình đẳng".
Việc tái chế sẽ không đủ để đáp ứng tất cả, bởi nhu cầu kim loại trong những viên pin khi ngành công nghiệp này bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng. Thea Riofrancos, một nhà khoa học chính trị tại Cao đẳng Providence ở Rhode Island, người nghiên cứu về khai thác tài nguyên và công nghệ xanh, coi tái chế là "một trong những chiến lược của một loạt các chiến lược" để giảm nhu cầu khai thác các nguyên liệu mới. Các phương pháp tiếp cận khác có thể bao gồm phát triển pin mới sử dụng ít khoáng chất hơn và cải thiện phương tiện công cộng, đồng thời xây dựng các thành phố có thể đi bộ, đi xe đạp để giảm nhu cầu tổng thể về phương tiện cá nhân.
Tuy nhiên, ngay cả khi việc tái chế chỉ đáp ứng 1/4 đến 1/3 nhu cầu về pin từ khoáng sản trong những thập kỷ tới, Riofrancos cho biết đó là một lĩnh vực quan trọng cần tập trung vì nó giúp mọi người "suy nghĩ lại về mối quan hệ của mình với công nghệ".
Riofrancos nói: "Tái chế khiến chúng tôi nghĩ rằng có những giới hạn lý sinh học. Cuối cùng đây là những tài nguyên không thể tái tạo. Hãy coi những thứ này như những thứ chúng ta muốn tận dụng càng nhiều càng tốt chứ không phải là thứ chúng ta xé ra khỏi trái đất và sau đó vứt bỏ".