Tái chế và suy nghĩ lại pin

Tái chế và suy nghĩ lại pin

    Tái chế và suy nghĩ lại pin
    bởi Miriam Meister, Đại học Kỹ thuật Đan Mạch

    Recycling and rethinking batteries
    Trong phòng thí nghiệm, liti được giữ trong hộp đựng găng tay vì nó phản ứng với oxy, nước và CO2 trong không khí xung quanh chúng ta. Hộp chứa khí argon tinh khiết. Hàm lượng oxy và nước trong hộp là 0,1 phần triệu. Ảnh: Bax Lindhardt


    Doanh số bán xe điện tăng nhanh đang gây ra tình trạng khan hiếm pin. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta phải cải thiện tốt hơn việc tái chế các nguyên liệu thô được sử dụng trong pin và đẩy nhanh sự phát triển của các loại pin mới.

    Đó có vẻ như là một hệ quả tự nhiên của niềm tin của ông khi Giáo sư Poul Norby lái chiếc xe điện của mình gần như im lặng vào bãi đậu xe tại DTU Lyngby Campus trên đường đến văn phòng. Ở đây, nghiên cứu của ông tập trung vào việc tạo ra kiến ​​thức có thể mở đường cho pin tốt hơn trên ô tô, trong số những thứ khác.

    “Theo quan điểm của tôi, chiếc xe điện giải quyết được nhiều vấn đề hơn so với những gì nó tạo ra,” giáo sư nói.

    Tình trạng xanh của ô tô điện luôn được tranh luận gay gắt, đặc biệt là do việc sản xuất pin ô tô điện tạo ra nhiều CO2 hơn đáng kể so với các loại ắc quy ô tô thông thường, và việc khai thác nguyên liệu thô của chúng tiềm ẩn nhiều vấn đề.

    Tuy nhiên, các phân tích vòng đời của một chiếc ô tô điện — từ dây chuyền lắp ráp đến bãi phế liệu — cho thấy ô tô điện ở Đan Mạch tổng thể thải ra ít CO2 hơn đáng kể so với ô tô chạy bằng xăng hoặc dầu diesel. Ngoài ra, các biện pháp đã được đưa ra để đảm bảo việc khai thác thân thiện với môi trường hơn, mang lại lợi ích cho người khai thác cũng như môi trường.

    Poul Norby chỉ là một trong số những người ngày càng tăng đầu tư vào một tương lai không hóa thạch bằng cách mua ô tô điện: Theo số liệu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, 6,6 triệu ô tô điện đã được bán trên toàn thế giới vào năm ngoái. Con số đó gấp ba lần so với hai năm trước đó. Trên thực tế, số lượng ô tô điện bán ra trung bình chỉ trong một tuần của năm 2021 bằng tổng số ô tô điện bán ra trong cả năm 2013.

    Doanh số tăng nhanh này đang dẫn đến tình trạng thiếu pin. Một phần là vì sẽ rất khó để chiết xuất các nguyên liệu thô như coban, lithium, niken và graphite, những chất hiện thường được sử dụng trong pin, đủ nhanh và nhạy. Và một phần là do nhu cầu về pin có khả năng vượt quá khả năng sản xuất trong một khoảng thời gian.

    Áp lực đối với nguyên liệu thô

    Trong một nghiên cứu từ tháng 4 năm nay, các nhà nghiên cứu từ KU Leuven ở Bỉ ước tính rằng để đạt được mục tiêu trở nên trung hòa với khí hậu vào năm 2050, châu Âu sẽ cần gấp 36 lần lượng lithium và gấp 4 lần lượng coban như hiện nay. Điều này sẽ tạo ra một cuộc chiến giành tài nguyên.

    Theo Poul Norby, một cách để giảm bớt tình trạng tắc nghẽn không thể tránh khỏi là phát triển các loại pin mới và tốt hơn, sử dụng ít nguyên liệu thô hơn mà nhu cầu sử dụng nhiều nhất.

    Thách thức về nguồn cung, trong số những thứ khác, sẽ đẩy nhanh tiến độ công việc để tìm ra các giải pháp thay thế cho pin lithium-ion được sử dụng trong hầu hết các xe ô tô điện ngày nay, và loại vẫn chứa khoảng 10% coban, mặc dù đã nỗ lực giảm lượng.


    Trong phòng thí nghiệm, Poul Norby - trong số những thứ khác - có thể đo lường những hợp chất khí nào được hình thành trong các loại pin khác nhau. Tín dụng: Bax Lindhardt
    Nghiên cứu mở rộng đã được thực hiện để tìm ra các chất thay thế cho coban, thay thế nó bằng sắt hoặc mangan, trong số những thứ khác. Điều này khiến giáo sư đưa ra một dự đoán táo bạo:

    "Trong 5 năm nữa, sẽ không có coban trong pin lithium-ion của chúng tôi. Đó là một tuyên bố rất táo bạo, nhưng đó là nơi chúng tôi đang hướng tới, bởi vì coban có vấn đề về nhiều mặt."

    Quá trình phát triển nhanh hơn

    Trọng lượng, hiệu suất và giá cả của pin đóng một vai trò lớn trong việc xác định liệu thứ gì đó có phải là sự thay thế thú vị cho pin lithium-ion phổ biến hay không. Hai thông số đầu tiên giúp đảm bảo rằng ô tô điện có thể hoạt động lâu nhất có thể trong một lần sạc.

    Cùng với một số đồng nghiệp DTU, Poul Norby là một phần của dự án nghiên cứu pin lớn nhất và tốn kém nhất của EU cho đến nay, BIG-MAP. Nhiệm vụ của họ là phát triển một quy trình hiệu quả để đánh giá vật liệu nào là ứng cử viên tốt cho việc phát triển các loại pin mới và hiệu quả, không chỉ để sử dụng cho ô tô mà còn cho quá trình chuyển đổi xanh nói chung.

    "Bằng cách tạo ra một quy trình hiệu quả để phát triển, thử nghiệm và đánh giá vật liệu mới, chúng tôi có thể tăng đáng kể tốc độ của quy trình phát triển vật liệu. Vì vậy, chúng tôi đang kết hợp mô hình lý thuyết với công việc thực nghiệm và tạo ra một quy trình học máy tự động cho phép chúng tôi liên tục đánh giá và quyết định cách đi tiếp theo, "ông nói.

    Công việc của họ đóng góp kiến ​​thức cơ bản về các vật liệu có công dụng thực sự hoặc tiềm năng như vật liệu mới hoặc vật liệu hiện có. Theo nhiều cách, đây là bước đi trước khi phát triển các loại pin mới, nhưng nó là một bước cần thiết để tránh làm việc dựa trên những ý tưởng mà cuối cùng lại không hiệu quả.

    Bước phát triển tiếp theo

    Theo Poul Norby, bước tiếp theo trong quá trình phát triển pin mới là 

    pin trạng thái rắn. Không giống như pin lithium-ion hiện tại, chất điện phân (tức là kết nối giữa cực dương và cực âm của pin) là chất rắn thay vì chất lỏng và được làm bằng thủy tinh, khoáng chất hoặc polyme.

    Một số nhà sản xuất ô tô lớn đã đầu tư rất nhiều vào việc phát triển pin thể rắn, được kỳ vọng sẽ chống cháy tốt hơn, sạc nhanh hơn đáng kể và chứa năng lượng gấp đôi so với pin lithium-ion hiện nay. Một số thương hiệu xe hơi đã thông báo rằng họ dự kiến ​​sẽ có một loại pin thể rắn có thể sử dụng được vào năm 2025.

    Theo Poul Norby, ước mơ cuối cùng là có một pin lithium-air với mật độ năng lượng gần với mật độ năng lượng của nhiên liệu hóa thạch — và không cần coban:


    Loại pin thể rắn có thể sạc lại được trên thị trường duy nhất trên nhãn được sử dụng trong vi điện tử. Nó cung cấp điện cho thiết bị khi nó không được kết nối với ổ cắm điện. Ở đây trong phòng thí nghiệm, nó được gắn trong một thiết bị cho phép các nhà nghiên cứu tiến hành nhiễu xạ tia X trong khi pin sạc và phóng điện. Tín dụng: Bax Lindhardt
    "Lợi ích của việc phát triển một loại pin lithium-air luôn rất lớn nhưng để đạt được điều đó thì vô cùng khó khăn. Nếu không vì những lợi ích to lớn mà chúng tôi đạt được, thì chẳng ai dám thử".

    Bằng cách kết hợp các tính toán với công việc thực nghiệm, các nhà nghiên cứu của DTU đã chỉ ra rằng - về lý thuyết - có thể tạo ra pin lithium-air. Tuy nhiên, cho đến nay rất khó đạt được hiệu suất năng lượng, tốc độ sạc và độ bền.

    Ông nói: “Đây chắc chắn là thứ có thể cách mạng hóa công nghệ pin, nhưng còn lâu mới có thể xảy ra,”.

    Tuổi thọ mới cho pin cũ

    Tuần hoàn cũng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa tình trạng thiếu nguyên liệu về lâu dài. Nghiên cứu nói trên của KU Leuven ước tính rằng nếu châu Âu đầu tư mạnh ngay bây giờ, châu lục này sẽ có thể đáp ứng 40–75% nhu cầu nguyên liệu thô cho quá trình chuyển đổi xanh thông qua tái chế.

    "Các cuộc tranh luận công khai để lại ấn tượng rằng tuần hoàn bắt đầu từ đây và bây giờ, nhưng điều đó không đúng. Vật liệu pin đã được tái chế trong một thời gian rất dài. Nó rất khó khăn và tốn kém cho đến nay, nhưng sự phát triển của các phương pháp tái chế rẻ hơn và hiệu quả hơn đang chuyển mình Poul Norby nói.

    Số liệu của Nghị viện châu Âu cho thấy trong năm 2019, 51% pin di động bán ở EU được thu gom để tái chế, nhưng các chính trị gia EU đang nỗ lực điều chỉnh các quy định để đảm bảo mức độ tái chế cao hơn, bao gồm cả pin từ kho lưu trữ và ô tô điện.

    "Hầu như tất cả các vật liệu trong pin sẽ phải được tái chế trong tương lai - ngay cả khi nó không mang lại lợi nhuận", Giáo sư Norby nói.

    Tesla và Volkswagen báo cáo rằng họ đã có thể tái chế hơn 90% nguyên liệu trong pin của chính mình. Tất nhiên, không thể phủ nhận quy trình tái chế dễ dàng hơn khi tháo rời những viên pin 500 kg và phân loại chúng thành đống nguyên liệu thô có thể sử dụng được so với khi xử lý hỗn hợp các loại pin nhỏ hơn, chẳng hạn như điện thoại di động và máy tính xách tay, có chứa các loại kim loại khác nhau. lượng.

    Poul Norby nói: "Bây giờ chúng tôi sẽ có được những viên pin lớn này để bạn biết chính xác những gì bên trong chúng, cách chúng được xử lý và cấu tạo của chúng. Điều đó cũng giúp việc tháo rời chúng dễ dàng hơn rất nhiều".

    Cũng có nhiều cách khác để suy nghĩ về việc tuần hoàn của pin ô tô điện: Khi khả năng sạc trở nên quá kém đối với pin sử dụng trên ô tô, chúng có thể được sử dụng cho những việc khác như dự trữ năng lượng trong các nhà máy pin mặt trời nhỏ tại địa phương. Một đống pin đã qua sử dụng có thể tạo thành một bộ lưu trữ cục bộ từ 10 đến 15 năm trước khi cần phải tháo rời pin và sử dụng lại nguyên liệu thô.

    Bằng cách kéo dài tuổi thọ của pin theo cách này, chúng ta cũng có thể câu giờ cho việc phát triển các cách rẻ hơn và tốt hơn để tái chế nguyên liệu thô.

    Zalo
    Hotline