Tin thị trường và sản phẩm

Bảo Hiền tổng hợp

Phần lớn công nghệ tái chế pin lithium-ion hiện nay đi theo một trong hai hướng: nung ở nhiệt độ cực cao (nhiệt luyện) hoặc nghiền nát pin thành “khối đen” rồi ngâm axit để tách kim loại (thủy luyện) - cả hai đều tốn nhiều năng lượng, phát thải ô nhiễm và phá hủy hoàn toàn cấu trúc điện cực ban đầu. Một nhóm nghiên cứu tại Mỹ vừa công bố một hướng đi khác: thay vì phá hủy, họ “sửa chữa” trực tiếp điện cực đã qua sử dụng bằng một loại dung dịch hóa học, giúp phục hồi tới 95% dung lượng ban đầu của pin.

Vấn đề cốt lõi: lớp màng “gỉ” tích tụ trên điện cực

Khi pin lithium-ion trải qua nhiều chu kỳ sạc-xả, một lớp màng mỏng gọi là màng phân cách điện cực rắn (solid electrolyte interphase - SEI) hình thành và dày dần lên trên bề mặt điện cực. Lớp màng này vốn ban đầu có vai trò bảo vệ, nhưng khi tích tụ quá dày, nó làm tăng điện trở và cản trở dòng chảy năng lượng, khiến dung lượng pin suy giảm dần theo thời gian - dù cấu trúc vật lý bên trong của điện cực phần lớn vẫn còn nguyên vẹn.

Đây chính là điểm mấu chốt mà nhóm nghiên cứu khai thác: nếu nguyên nhân suy giảm chủ yếu nằm ở lớp màng bề mặt chứ không phải hư hỏng cấu trúc, thì về lý thuyết có thể phục hồi pin bằng cách loại bỏ riêng lớp màng đó, thay vì phải phá hủy toàn bộ điện cực để tái chế từ đầu.

Cách vận hành: tháo điện cực, “tắm” hóa chất, lắp lại

Quy trình được đặt tên Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER - tái sinh trực tiếp điện cực) hoạt động theo nguyên lý khá đơn giản về mặt hình dung: điện cực được tháo nguyên vẹn ra khỏi pin đã qua sử dụng, gắn vào một bộ thu dòng, rồi ngâm trong dung dịch có thành phần chính là 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone. Dung dịch này có khả năng hòa tan lớp màng SEI đã suy thoái, đồng thời để lại một lớp lithium fluoride mỏng có tác dụng ổn định, giúp hạn chế lớp màng cản trở hình thành trở lại nhanh chóng sau khi phục hồi. Sau khi “tắm” xong, điện cực được lắp trở lại thành pin mới mà không cần trải qua công đoạn nghiền hay tán bột như quy trình tái chế truyền thống.

Phương pháp này hiện áp dụng hiệu quả với pin ở trạng thái sức khỏe (state of health) còn khoảng 70-80% - ngưỡng phổ biến khi xe điện “nghỉ hưu” và pin được rút khỏi xe dù vẫn còn giá trị sử dụng đáng kể.

Kết quả: phục hồi gần như hoàn toàn, kể cả sau nhiều lần lặp lại

Kết quả thử nghiệm cho thấy quy trình DEER giúp phục hồi tới 95% dung lượng ban đầu ngay ở lần xử lý đầu tiên. Đáng chú ý hơn, pin đã qua “đời thứ ba” - tức đã được phục hồi một lần trước đó rồi tiếp tục sử dụng đến khi suy giảm - vẫn giữ được khoảng 90% dung lượng sau lần phục hồi thứ hai, cho thấy quy trình có thể lặp lại nhiều lần mà không làm giảm hiệu quả quá nhanh.

Về mặt kinh tế, nhóm nghiên cứu - phối hợp phân tích kỹ thuật-kinh tế với một trung tâm nghiên cứu tái chế pin thuộc phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Mỹ - ước tính chi phí sản xuất mỗi tế bào pin theo phương pháp này thấp hơn khoảng 56% so với quy trình tái chế truyền thống, đồng thời giảm đáng kể lượng khí thải và nước tiêu thụ trong quá trình xử lý.

Không cần chuyển pin ra nước ngoài để tái chế

Một lợi thế khác được nhóm nghiên cứu nhấn mạnh là khả năng tái chế tại chỗ. Trưởng nhóm nghiên cứu mô tả triết lý của phương pháp: “Chúng tôi sửa chữa chúng nguyên trạng, không cần nghiền hay tán thành bột, rồi đưa trở lại thành một cục pin mới.” Cách tiếp cận này giúp tránh việc phải vận chuyển pin phế thải ra nước ngoài để tinh luyện lại kim loại - một công đoạn tốn kém và phát sinh phát thải đáng kể trong chuỗi tái chế pin hiện nay, vốn phụ thuộc nhiều vào các cơ sở luyện kim quy mô lớn tập trung ở một số quốc gia.

Giới hạn hiện tại và hướng đi tiếp theo

Phương pháp DEER giải quyết tốt nguyên nhân suy giảm do lớp màng SEI tích tụ, nhưng đây không phải là nguyên nhân duy nhất khiến pin lithium-ion xuống cấp theo thời gian. Nhóm nghiên cứu cho biết bước tiếp theo là mở rộng thử nghiệm sang pin ở quy mô công nghiệp lớn hơn, đồng thời tìm cách xử lý các cơ chế suy giảm khác - như tình trạng thất thoát lithium vĩnh viễn trong quá trình sử dụng - mà quy trình hiện tại chưa khắc phục được. Đây sẽ là những yếu tố quyết định liệu công nghệ “tắm hóa chất” này có thể mở rộng ra khỏi phòng thí nghiệm để trở thành một lựa chọn thương mại thực sự cho ngành công nghiệp tái chế pin xe điện.