Xử lý pin Lithium-Ion sau sử dụng

Xuất bản : 20/07/2020

Mức tiêu thụ pin Lithium-Ion (LIB) gia tăng nhanh chóng trên toàn cầu nên lượng thải ra sau sử dụng tăng càng nhiều. Xử lý LIB thải ra để bảo vệ môi trường, đồng thời thu hồi một số loại vật liệu sẽ góp phần giải quyết nhu cầu về nguyên liệu sản xuất LIB ngày một khan hiếm và đắt đỏ. 

LIB trên thị trường

Thị trường LIB đang phát triển nhanh chóng. Từ năm 2010 trở về trước, LIB đa số sử dụng trong các thiết bị điện tử di động, đến nay LIB đang cung cấp năng lượng cho rất nhiều loại công cụ và thiết bị khác nhau, nhất là tăng sử dụng trong ô tô và xe buýt chạy điện kể từ năm 2015 đến nay. Dự báo đến năm 2025, sử dụng LIB trong ô tô, xe buýt và các hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ gia tăng mạnh (BĐ1).

BĐ1: LIB trên thị trường toàn cầu theo ứng dụng

Một LIB có thể thực hiện từ 500 đến hơn 10.000 chu kỳ sạc và xả, tuổi thọ có thể từ một vài tháng đến hơn 20 năm tùy vào loại LIB, kích thước và mục đích sử dụng. Với lượng LIB đưa ra thị trường ngày càng nhiều đồng nghĩa với lượng LIB đã qua sử dụng cũng sẽ tăng cao, đây là thách thức không nhỏ cho việc quản lý và tái chế chất thải từ LIB. Năm 2018, trên toàn cầu có gần 180 ngàn tấn  LIB đã qua sử dụng sẵn sàng để tái chế hay được tận dụng trong các ứng dụng khác (BĐ2).

BĐ2: LIB sau sử dụng trên toàn cầu

Tái chế LIB

Nghiên cứu tái chế LIB

Nhiều quy trình tái chế LIB đã được nghiên cứu và sử dụng, từ quy trình chỉ thu hồi được đồng và nhôm đến các quy trình hiệu quả cao, có thể thu hồi gần như với mọi thứ từ LIB và tinh chế thành các sản phẩm cuối cùng như lithium (Li), cobalt (Co) hay nickel (Ni).

Quy trình cơ bản xử lý các LIB đã qua sử dụng trong H1 gồm: (A) tháo rời; (B) tách các lá nhôm/đồng để trực tiếp thu hồi, và lọc để chiết tách các vật liệu hoạt tính như Li và Co.

H1: Quy trình cơ bản xử lý các LIB đã qua sử dụng

Nguồn: Mario Pagliaro, Francesco Meneguzzo, Lithium battery reusing and recycling: A circular economy insight.

Các vật liệu có thể tái thu hồi từ các loại LIB được thể hiện trong bảng 1. Pin LCO có thành phần Co cao (19,3%) nên giá trị tái chế để thu hồi vật liệu khá cao; LFP không chứa Co và thành phần Li rất thấp nên giá trị tái chế thấp. LMO cũng tương tự. NMC, NCA đều chứa Co nhưng rất thấp (NMC có từ 2 đến 6,5%  Co tùy loại, và NCA có dưới 3% Co).

Bảng 1: Vật liệu có thể thu hồi từ các loại LIB

Vật liệu

Giá trị

(USD/kg)

Thành phần trong một LIB trụ  (%)

 

 

NMC111

(LiNiMnCoO2)

NMC523 (LiNiMnCoO2)

NMC622 (LiNiMnCoO2)

NMC811 (LiNiMnCoO2)

NCA (LiNiCoAlO2)

LFP (LiFePo4)

LMO (LiMn2O4)

LCO (LiCoO2)

Vỏ

 

Thép

0,29

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

Nhôm

1,8

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

Tấm nền (current collector)

 

Nhôm

1,8

5,0

5,0

5,0

5,0

5,0

5,0

5,0

5,0

Đồng

6,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

Anode

 

Graphite

1,2

18,1

18,1

18,1

18,1

18,1

18,1

18,1

18,1

Cathode

 

Manganese

2,4

6,1

5,5

3,6

1,8

   

19,4

 

Lithium

70,0

2,3

2,3

2,3

1,9

2,3

1,4

1,2

2,3

Cobalt

30,0

6,5

3,9

3,9

1,9

2,9

   

19,3

Nickel

12,0

6,5

9,7

11,6

15,4

15,6

     

Nhôm

1,8

       

0,4

     

Sắt

0,4

         

11,3

   

Tổng giá trị/ kg

 

5,42

5,02

5,19

4,77

5,32

1,97

2,26

8,30

Khảo sát các nghiên cứu tái chế LIB được công bố từ năm 2000 đến 2018, Hans Eric Melin đã thống kê có 432 bài báo, nội dung đề cập đến quy trình, đặc tính các LIB hay các nghiên cứu đánh giá hiệu quả tái chế. Trong đó Trung Quốc là nước có nhiều bài báo khoa học về tái chế LIB (59%), kế đến là Hàn Quốc (BĐ3, BĐ4).

BĐ3: Số lượng bài báo liên quan đến tái chế LIB tại các nước

BĐ4: Tỉ lệ  bài báo  liên quan đến tái chế LIB tại các nước (2000-2018)

Tái chế LIB bao gồm các quy trình về cơ học, nhiệt luyện và thủy luyện, các quy trình này được sử dụng kết hợp với nhau. Có 312 bài báo đề cập đến công nghệ tái chế LIB, trong đó hơn 70 % là về các quy trình thủy luyện, 15 % về quy trình cơ học và 10 % là các quy trình nhiệt  (BĐ5). Loại LIB được nhiều quan tâm nghiên cứu tái chế là LCO và NMC (BĐ6), loại vật liệu có nhiều nghiên cứu thu hồi là Li, Co (BĐ7).

BĐ5: Nội dung đề cập trong các bài báo về tái chế LIB

BĐ6: Các bài báo khoa học về tái chế theo loại LIB

BĐ7: Số lượng bài báo khoa học theo vật liệu thu hồi

Thực tế tái chế LIB

Tái chế LIB nhằm giảm ô nhiễm môi trường và bù đắp sự khan hiếm trong tương lai các vật liệu thành phần trong LIB, hiện đang phát triển thành một ngành công nghiệp. Dù lượng LIB sau sử dụng ngày càng tăng cao, nhưng tỉ lệ sẵn sàng để tái chế chỉ khoảng 50% (BĐ8, BĐ9), số còn lại bị thải bỏ và là một trong những nguyên nhân quan trọng góp phần gây ô nhiễm môi trường.

BĐ8: Khối lượng LIB sau sử dụng trên toàn cầu  (Tấn)

BĐ9: Khối lượng LIB sẵn sàng để tái chế trên toàn cầu (Tấn)

Trong những năm gần đây, sự chú ý đến việc tái chế LIB tăng lên đáng kể. Hiện có hơn 50 công ty trên khắp thế giới tái chế LIB với quy mô khác nhau, từ các xưởng thí nghiệm nhỏ đến các nhà máy quy mô đồng bộ. Hầu hết các công ty này ở Trung Quốc (hơn 20 công ty), kế đến là Hàn Quốc (6 công ty), tiếp theo là EU, Nhật Bản, Canada và Mỹ.

Năm 2018, lượng LIB được đưa đến các nhà máy tái chế ước tính là 97.000 tấn, trong số này có tới 67.000 tấn được tái chế ở Trung Quốc và 18.000 tấn ở Hàn Quốc (BĐ10), đây cũng là hai quốc gia chiếm phần đáng kể trong việc sản xuất vật liệu cũng như sản xuất LIB. Châu Âu và Bắc Mỹ có khối lượng LIB được xử lý khá thấp.

Hiện nay, Pin LCO được sử dụng nhiều và có nhiều khả năng thu hồi Li và Co nên loại LIB này chiếm tỉ trọng cao trong  tái chế (BĐ11).

BĐ10: Tái chế LIB theo quốc gia (Tấn)

BĐ11: LIB có sẵn để tái chế theo loại pin (Tấn)

Tái sử dụng tạo “đời sống thứ 2” cho LIB

Xu hướng nghiên cứu tái sử dụng tạo “đời sống thứ 2” cho LIB
Thị trường ô tô/xe buýt điện phát triển đã tạo ra phần lớn số lượng LIB đã qua sử dụng. Điều này thúc đẩy xu hướng nghiên cứu chất lượng và tuổi thọ của LIB qua sử dụng trong ô tô/xe buýt để tận dụng trong các ứng dụng có yêu cầu thấp hơn, tạo đời sống thứ hai cho các LIB. Giai đoạn năm 2000 đến 2018, có 166 bài báo khoa học đề cập đến việc tái sử dụng LIB. Lĩnh vực này được nhiều quan tâm ở châu Âu, và Đức là đại diện (có gần 30 bài báo), kế đến là Mỹ, Vương quốc Anh, Tây Ban Nha và Trung Quốc (BĐ12). Đây là những quốc gia hàng đầu về lưu trữ năng lượng, mảnh đất giàu tiềm năng tận dụng LIB trong đời sống thứ hai.
BĐ12: Số lượng bài báo liên quan đến tái sử dụng LIB lần 2 tại các nước

 

Thực tế tái sử dụng tạo “đời sống thứ 2” cho LIB

Tận dụng các loại LIB đã qua sử dụng cho các ứng dụng có đòi hỏi ít khắt khe hơn sẽ tạo nên đời sống thứ hai cho các LIB có giá trị cao hơn nhiều so với tái chế. Thị trường tiềm năng cho đời sống thứ 2 của LIB  là sử dụng lưu trữ năng lượng, trạm sạc xe điện, trạm gốc (base station) hay xe điện có vận tốc thấp (BĐ13). 

BĐ13: Thị trường tiềm năng cho các LIB có đời sống thứ 2 trên toàn cầu

Ước khoảng 20% LIB sẽ được tận dụng để có đời sống thứ 2, tuy nhiên con số này phụ thuộc rất lớn vào từng quốc gia, trong đó, Trung Quốc được dự đoán sẽ dẫn đầu trong lĩnh vực này (BĐ15). Ước tính, đến năm 2030 ở Mỹ, LIB lắp đặt để lưu trữ năng lượng dự kiến ​​sẽ đạt 75 GWh, trong đó LIB có đời sống thứ hai sẽ ít hơn 5 GWh; so sánh với Trung Quốc, LIB được lắp đặt để lưu trữ năng lượng dự kiến ​​là 100 GWh, trong đó, dự đoán LIB có đời sống thứ hai sẽ là 37 GWh . 

BĐ15: LIB sẵn sàng có đời sống thứ 2 theo khu vực

--------------------

Ghi chú:

  • Nguồn số liệu và các biểu đồ trong bài của tác giả Hans Eric Melin, được công bố trong các tài liệu: State-of-the-art in reuse and recycling of lithium-ion batteries – A research review và The lithium-ion battery end-of-life market.
  • Tìm hiểu thêm về LIB mời tham khảo bài viết: “Pin Litium làm thay đổi cuộc sống con người” của tác giả Anh Tùng trên Website: www.cesti.gov.vn 

Anh Tùng (CESTI)

Nguồn:http://www.cesti.gov.vn

Các tin bài khác