Tái chế pin liti-ion: thu hồi liti, niken, coban từ pin xe điện

Pin liti-ion cũ từ xe điện, xe máy điện, điện thoại, máy tính xách tay được tái chế qua bốn bước chính: xả điện, tháo và nghiền trong điều kiện kiểm soát để ra "khối bột đen", rồi thu hồi kim loại bằng luyện thuỷ (hoà tan và tách từng kim loại) hoặc luyện hoả (nấu chảy thành hợp kim chứa coban, niken, đồng). Liti, niken, coban, đồng, nhôm đều thu hồi được. Điểm nguy hiểm lớn nhất của pin cũ là cháy: pin phồng, móp, còn điện nếu lẫn vào rác hay bãi phế liệu có thể tự bốc cháy và rất khó dập.

Trong pin liti-ion có những kim loại gì?

Pin liti-ion gồm nhiều cell, mỗi cell có bốn phần chính: cực dương, cực âm, chất điện phân và màng ngăn. Kim loại có giá trị nằm chủ yếu ở cực dương, và khác nhau tuỳ hoá học pin:

Ngoài cực dương, pin còn có lá đồng làm nền cực âm (phủ than chì), lá nhôm làm nền cực dương, vỏ thép hoặc nhôm, chất điện phân là muối liti hoà trong dung môi hữu cơ dễ cháy. Pin LFP không có coban, niken nên giá trị kim loại thấp hơn, bài toán tái chế vì thế khó về kinh tế hơn pin NMC.

Pin xe điện được tái chế như thế nào?

Bước 1: Kiểm tra và xả điện

Pin xe điện là khối lớn nặng hàng trăm kilôgam, điện áp cao. Trước hết, kỹ thuật viên đánh giá xem pin còn dùng được cho "đời thứ hai" (như lưu trữ năng lượng tĩnh) hay phải tái chế. Pin đưa đi tái chế được xả điện về mức an toàn, bằng tải điện hoặc phương pháp chuyên dụng, để giảm nguy cơ chập cháy khi tháo.

Bước 2: Tháo dỡ

Khối pin được tháo ra mô-đun, có khi tới từng cell. Vỏ, dây cáp, hệ thống làm mát, mạch quản lý pin được tách riêng; nhiều thứ trong đó là nhôm, đồng, thép dễ tái chế. Đây là khâu tốn công vì mỗi hãng xe thiết kế khối pin một kiểu.

Bước 3: Nghiền và tách

Mô-đun, cell được nghiền trong buồng kín có khí trơ hoặc trong môi trường lỏng để ngăn cháy. Sau nghiền, các phần được tách bằng sàng, từ tính, khí động: vỏ và lá kim loại (đồng, nhôm, thép), nhựa màng ngăn, và một hỗn hợp bột mịn màu đen gọi là khối bột đen. Khối bột đen chứa vật liệu cực dương và than chì, là phần giá trị nhất.

Bước 4a: Luyện thuỷ

Khối bột đen được hoà tách trong dung dịch, rồi từng kim loại được tách riêng bằng chiết dung môi, kết tủa có chọn lọc. Sản phẩm cuối là muối niken, muối coban, muối mangan và hợp chất liti đủ sạch để làm lại vật liệu pin. Luyện thuỷ thu hồi được cả liti với hiệu suất cao và tiêu tốn ít năng lượng hơn, nhưng sinh nhiều nước thải cần xử lý.

Bước 4b: Luyện hoả

Cell hoặc mô-đun được nấu trong lò nhiệt độ cao. Chất điện phân, nhựa, than chì cháy và góp nhiệt; coban, niken, đồng tạo thành hợp kim lỏng; liti, nhôm, mangan phần lớn đi vào xỉ. Luyện hoả chịu được đầu vào lẫn lộn, không cần xả điện kỹ, nhưng tốn năng lượng và trước đây thường mất phần lớn liti vào xỉ, phải xử lý thêm mới thu hồi được.

Hướng thứ ba đang được nghiên cứu là tái chế trực tiếp: giữ nguyên cấu trúc vật liệu cực dương, chỉ làm sạch và bổ sung liti, thay vì phá xuống thành muối rồi tổng hợp lại.

Vì sao pin phồng dễ cháy trong bãi phế liệu?

Pin liti-ion có chất điện phân là dung môi hữu cơ dễ cháy, và cực dương có thể giải phóng ôxy khi quá nóng. Khi pin bị đâm thủng, đè bẹp, ngắn mạch bên trong hoặc quá nhiệt, một chuỗi phản ứng toả nhiệt tự tăng tốc bắt đầu, gọi là thoát nhiệt. Cell nóng làm cell bên cạnh nóng theo, khí cháy phụt ra, có khi kèm tia lửa và mảnh vỡ.

Trong xe chở rác, trạm trung chuyển, bãi phế liệu, pin cũ bị máy ép, máy xúc, máy nghiền đè lên là điều thường xảy ra. Nhiều đơn vị quản lý rác ở các nước đã báo cáo các vụ cháy xe rác, cháy cơ sở tái chế được xác định có liên quan tới pin liti lẫn trong rác. Pin phồng là dấu hiệu bên trong đã sinh khí do phân huỷ chất điện phân, và là pin nên được tách ra xử lý sớm nhất.

Đám cháy pin liti khó dập vì có thể bùng lại sau khi tưởng đã tắt, và sinh khí độc. Gặp pin đang bốc khói, cháy: tránh xa, không hít khói, gọi 114.

Pin cũ ở nhà nên xử lý thế nào?

• Không bỏ vào rác sinh hoạt hay thùng phế liệu kim loại.
• Dán băng keo cách điện lên hai cực của pin rời để tránh chập khi để chung.
• Pin phồng: ngừng sạc, không cố ấn xẹp, không chọc thủng; đặt trên mặt không cháy như nền gạch, xa đồ dễ cháy, rồi mang tới điểm thu hồi hoặc cửa hàng sửa chữa sớm.
• Điện thoại, máy tính có pin liền: giao cả máy cho điểm thu hồi rác điện tử, không tự cạy pin.
• Pin xe máy điện, xe điện: liên hệ hãng xe, đại lý để đổi hoặc thu hồi; không tự tháo khối pin.

Thế giới đang quy định gì về tái chế pin?

Liên minh châu Âu ban hành Quy định Pin năm 2023, đặt ra trách nhiệm thu gom của nhà sản xuất, mục tiêu hiệu suất thu hồi kim loại (trong đó có liti) và tỷ lệ tối thiểu vật liệu tái chế trong pin mới theo lộ trình nhiều năm. Một số nước khác cũng có chính sách tương tự. Ở Việt Nam, pin và ắc quy thuộc nhóm sản phẩm chịu trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất theo Luật Bảo vệ môi trường 2020.

Lý do các nước quan tâm: liti, coban, niken là kim loại được coi là quan trọng cho chuyển đổi năng lượng, nguồn cung tập trung ở một số ít quốc gia. Khi làn sóng xe điện đầu tiên hết hạn dùng pin, lượng pin cũ sẽ tăng mạnh, và tái chế trở thành một nguồn cung đáng kể.

Góc nhìn hôm nay: pin đời thứ hai và mỏ pin tương lai

Pin xe điện thường được thay khi dung lượng còn khoảng bảy, tám phần mười so với ban đầu, chưa "chết" hẳn. Nhiều dự án dùng lại những pin này cho lưu trữ năng lượng mặt trời, trạm sạc, nguồn dự phòng trước khi đưa đi tái chế. Điều này kéo dài vòng đời pin nhưng cũng làm chậm thời điểm vật liệu quay về nhà máy.

Người muốn tìm hiểu thêm có thể đọc báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) về khoáng sản quan trọng, tài liệu tổng quan về tái chế pin liti-ion trên các tạp chí khoa học vật liệu, và văn bản Quy định Pin của Liên minh châu Âu.