Bối cảnh về Pin Lithium
Pin lithium-ion là loại pin sạc được sử dụng phổ biến, có nhiều kích cỡ và thiết kế khác nhau nhưng hoạt động theo những cách rất giống nhau. Pin được tạo thành từ một hoặc nhiều tế bào, mỗi tế bào (cell) riêng lẻ có chức năng tạo ra điện.
Một tế bào chứa một lớp cực anode, một lớp cực cathode và một lớp phân cách, tất cả đều tiếp xúc với chất điện phân, thường là chất lỏng. Các thành phần này được xếp chồng hoặc cuộn lại với nhau và được đặt trong một bao bì bên ngoài—thường là một lon thép hoặc vật liệu túi nhôm/polyme.
Các loại pin lithium-ion khác nhau được đặt tên theo các hóa chất được sử dụng bên trong cell của chúng, đặc biệt là hóa chất catốt. Có nhiều loại pin lithium-ion khác nhau, nhưng một số loại phổ biến bao gồm:
- Oxit Lithium coban.
- Oxit Lithium niken coban nhôm.
- Photphat sắt Lithium.
Pin lithium-ion có thành phần hóa học khác nhau sẽ khác nhau về tổng lượng năng lượng mà chúng có thể cung cấp trong một lần sạc, tốc độ giải phóng năng lượng đó, độ ổn định của pin, tốc độ sạc lại và tổng số lần sạc và xả, cùng nhiều biến số khác. Do những khác biệt này, một số thành phần hóa học thường được sử dụng cho các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, thành phần hóa học lithium coban oxit phổ biến trong thiết bị điện tử tiêu dùng trong khi thành phần hóa học lithium nickel coban nhôm oxit thường được sử dụng cho pin xe điện.
Mặc dù hỗn hợp vật liệu được sử dụng cho các thành phần hóa học khác nhau của pin lithium-ion có sự khác nhau, nhưng các vật liệu phổ biến được sử dụng là:
- Lithium.
- Niken.
- Coban.
- Mangan.
- Grafit
- Sắt.
- Lá đồng và nhôm.
- Chất điện phân thường dễ cháy.
Theo danh sách năm 2022 của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, trong số những vật liệu thường được sử dụng, nhôm, liti, niken, coban, mangan và than chì đều là những khoáng chất thiết yếu, có nghĩa là chúng rất quan trọng đối với an ninh quốc gia và nền kinh tế của các Đất nước.
Pin lithium-ion có nhiều kích cỡ cell, module và pack khác nhau, với nhiều cell tạo thành một module và nhiều module tạo thành một bộ pin. Bộ pin cho các ứng dụng cần nhiều năng lượng hơn như xe điện có thể yêu cầu hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn cell được đóng gói lại với nhau thành nhiều module, mặc dù có nhiều cách thiết kế bộ pin khác nhau trong ngành. Thuật ngữ “pin” có thể được sử dụng để mô tả một cell—một đơn vị sản xuất năng lượng duy nhất—cũng như một module hoặc toàn bộ một bộ pin.
Pin Lithium-Ion sẽ bị coi là chất thải
Bất chấp tất cả những biến thể này, EPA xác định rằng hầu hết các loại pin lithium-ion trên thị trường có khả năng trở thành chất thải nguy hại khi chúng bị thải bỏ vì chúng có thể bắt lửa hoặc phát nổ nếu không được xử lý cẩn thận. Hầu hết các loại pin lithium-ion khi bị thải bỏ có khả năng được coi là chất thải nguy hại dễ bắt lửa và phản ứng (mang mã chất thải tương ứng là D001 và D003). Xin lưu ý rằng pin lithium-ion trong thiết bị điện tử tiêu dùng và xe điện nói chung là an toàn nếu được mua từ nhà sản xuất đáng tin cậy và sử dụng đúng cách. Tuy nhiên, hỏa hoạn khi hết tuổi thọ pin là điều thường xuyên xảy ra và việc quản lý sai cách cũng như khiến pin bị hư hỏng khiến chúng dễ xảy ra hơn ở giai đoạn đó.
Việc tái chế pin lithium-ion đã qua sử dụng (và các thiết bị chứa pin) sẽ giúp giải quyết các vấn đề mới nổi liên quan đến quá trình chuyển đổi năng lượng sạch và ngăn ngừa các vấn đề do việc thải bỏ pin không đúng cách gây ra. Pin lithium-ion hết hạn sử dụng chứa các khoáng chất quan trọng có giá trị cần thiết trong quá trình sản xuất pin mới. Các công nghệ năng lượng sạch như hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo và pin xe điện sẽ đòi hỏi một lượng lớn các khoáng chất này và việc tái chế pin lithium-ion đã qua sử dụng có thể giúp đáp ứng nhu cầu đó.
Trong tương lai gần, pin từ các nguồn tiêu dùng, chẳng hạn như điện thoại di động và máy tính xách tay, sẽ chiếm một phần quan trọng trong số các loại pin được gửi đi tái chế. Đảm bảo những loại pin lithium-ion nhỏ hơn này được thu gom và tái chế sẽ hỗ trợ ngành công nghiệp tái chế pin đang phát triển trên thế giới. Việc gửi pin hết hạn sử dụng để tái chế cũng giúp chúng tránh xa hệ thống rác thải và tái chế của hộ gia đình, nơi chúng có thể gây ra hỏa hoạn và gây nguy hiểm cho người lao động và cộng đồng lân cận.
Pin Lithium-Ion được tái chế như thế nào
Tổng quan về tái chế
Việc tái chế an toàn pin lithium-ion khi hết vòng đời của chúng sẽ bảo tồn được các khoáng chất quan trọng và các vật liệu có giá trị khác được sử dụng trong pin và là cách tiếp cận bền vững hơn so với việc thải bỏ. Mặc dù không có một con đường chung nào mà tất cả các loại pin đều phải thực hiện khi hết tuổi thọ, nhưng việc tái chế pin lithium-ion thường tuân theo một loạt các bước tương tự.
Trong bước đầu tiên thông thường, các thiết bị điện tử tiêu dùng, pin và thiết bị chứa pin được thu gom bởi nhà bán lẻ đã bán mặt hàng thay thế, bởi một đơn vị thu gom rác thải điện tử tại cửa hàng hoặc bởi một doanh nghiệp chuyên thu gom các thiết bị điện tử đã qua sử dụng của các công ty khác. Pin xe điện có thể được đưa đến đại lý hoặc cửa hàng sửa chữa ô tô nếu pin của xe cần được thay thế hoặc đến một đơn vị tháo rời ô tô nếu toàn bộ xe đã hết tuổi thọ. Trong mọi trường hợp, sau đó, pin cần được xác định và phân loại để tái chế đúng cách và có thể đổi chủ nhiều lần trong quá trình này, được chuyển đến các cơ sở thu gom khác trước khi đến một cơ sở có thể xử lý chúng. Các bộ pin lớn hơn, chẳng hạn như pin từ xe điện, có thể được tháo rời một phần bất kỳ lúc nào trong quá trình này thành các ô hoặc mô-đun để vận chuyển, lưu trữ và xử lý dễ dàng hơn.
Một số bộ pin hoặc mô-đun cũng có thể được đánh giá để sửa chữa hoặc tái sử dụng—hoặc là lắp lại vào thiết bị tương tự như thiết bị ban đầu hoặc được tái sử dụng trong một loại sản phẩm hoặc ứng dụng khác. Ví dụ, một số công ty đang thử nghiệm tái sử dụng pin xe điện đã qua sử dụng để lưu trữ điện dư thừa do tấm pin mặt trời tạo ra. Các bộ pin có thể được sửa chữa có thể có một hoặc nhiều mô-đun “hỏng” được thay thế trước khi đưa trở lại sử dụng trong các ứng dụng ban đầu hoặc các ứng dụng phù hợp khác.
Khi pin được gửi đi tái chế sau khi thu thập và đánh giá, bước quản lý tiếp theo phổ biến là cắt nhỏ. Tùy thuộc vào kích thước của thiết bị cắt nhỏ, một phần hoặc toàn bộ pin sẽ được cắt nhỏ. Trong một số trường hợp, một phần của thiết bị chứa pin cũng có thể được cắt nhỏ. Pin được xả để loại bỏ điện trước bước này hoặc được quản lý để ngăn ngừa hỏa hoạn trong quá trình băm nhỏ. Nhiều đơn vị tái chế pin cũng chấp nhận vật liệu pin dưới dạng phế liệu sản xuất để xử lý.
Hoạt động băm nhỏ tạo ra một số luồng khác nhau, bao gồm:
- “Black mass” (vật liệu dạng hạt được tạo thành từ các cathode và anode bị cắt nhỏ của pin).
- Lá đồng và nhôm (giữ vật liệu cực dương và cực âm).
- Vách ngăn (màng nhựa mỏng).
- Các loại nhựa khác.
- Vỏ thép.
- Chất điện phân.
Black mass chứa các vật liệu có thể được xử lý thêm và tạo thành cathode và anode của pin mới. Mặc dù thuật ngữ “Black mass” được sử dụng phổ biến, nhưng không có tiêu chuẩn công nghiệp nào cho Black mass. Tùy thuộc vào pin được cắt nhỏ và loại cắt nhỏ, có thể có sự khác biệt lớn về thành phần chính xác và lượng chất lỏng trong vật liệu này. Black mass thường được đưa đến một cơ sở khác để thu hồi các kim loại có giá trị (như coban, niken và đôi khi là lithium). Black mass cũng có thể được xuất khẩu cho mục đích này. Các vật liệu đầu ra khác, chẳng hạn như lá kim loại và vỏ thép, cũng có thể được tái chế thông qua các con đường riêng biệt, chuyên dụng.
Mặc dù những cải tiến đang diễn ra nhanh chóng trong việc tái chế pin lithium-ion, hiện nay có hai phương pháp chính để thu hồi kim loại từ black mass:
- Một quá trình nấu chảy dựa trên nhiệt (luyện kim nhiệt luyện).
- Một quá trình ngâm chiết dựa trên chất lỏng (luyện kim thủy luyện).
Trong một số trường hợp, quy trình dựa trên nhiệt cũng có thể được sử dụng để thu hồi kim loại từ pin mà không cần bước cắt nhỏ ban đầu. Nhìn chung, nấu chảy có thể thu hồi coban và niken, nhưng cần thêm các bước để thu hồi các vật liệu quan trọng khác như lithium từ phần còn lại. Các công nghệ tái chế sử dụng phương pháp ngâm chiết có thể thu hồi được một lượng lớn coban, niken, lithium và mangan một cách kinh tế và một số cơ sở đang được phát triển ở một só Nước trên Thế giới.
Sau khi nấu chảy hoặc ngâm chiết, kim loại thu hồi được phải được xử lý thêm để chế tạo thành pin mới. Lúc này, quá trình xử lý sẽ trông giống hoặc giống hệt như chế tạo các thành phần pin từ kim loại không tái chế.
Ngoài hai kỹ thuật tái chế chính, một số nhà nghiên cứu và tái chế đang thử nghiệm ở quy mô nhỏ hơn với một kỹ thuật gọi là tái chế trực tiếp trong nỗ lực đưa nó ra thị trường. Tái chế trực tiếp, “cathode to cathode recycling”, tiết kiệm năng lượng bằng cách bảo quản cấu trúc cathode được thiết kế kỹ lưỡng, là bộ phận có giá trị nhất của pin lithium-ion và giảm lượng sản xuất cần thiết để tái chế những vật liệu này thành pin mới.
Tái sử dụng pin Lithium-Ion
Tái sử dụng và tái chế là hai giải pháp thay thế thân thiện với môi trường tương tự như tái chế hoặc thải bỏ pin lithium-ion không còn đáp ứng nhu cầu của người dùng hoặc đang bị loại bỏ. Hiệu suất của pin giảm dần theo thời gian, nhưng pin đã qua sử dụng vẫn có thể cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng hữu ích cho các ứng dụng khác. Ví dụ, pin xe điện không còn giữ đủ năng lượng để đáp ứng phạm vi mà chủ sở hữu mong muốn có thể được tái sử dụng làm pin xe điện cho người cần phạm vi ngắn hơn từ xe của họ hoặc có thể được tái sử dụng thành pin để lưu trữ năng lượng từ các tấm pin mặt trời.
Các lựa chọn tái sử dụng và tái chế vẫn đang được phát triển, nhưng một ngày nào đó có thể cung cấp cho pin một “cuộc sống thứ hai” trên quy mô lớn hơn trước khi chúng được tái chế. Cuộc sống thứ hai này sẽ có lợi cho môi trường bằng cách kéo dài tuổi thọ hữu ích của pin và giảm nhu cầu tài nguyên để sản xuất pin mới.
