Đột phá không axit trong tái chế pin lithium-ion: Công nghệ mới có thể thay đổi cuộc chơi toàn cầu

Trong bối cảnh thế giới bước vào kỷ nguyên chuyển dịch năng lượng và điện hóa giao thông, pin lithium-ion đang trở thành “xương sống” của nền kinh tế carbon thấp. Tuy nhiên, phía sau sự bùng nổ của xe điện, lưu trữ năng lượng tái tạo và thiết bị điện tử là một thách thức ngày càng lớn: xử lý và tái chế hàng triệu tấn pin đã qua sử dụng một cách an toàn, hiệu quả và bền vững.

Tại Mỹ, một nhóm nhà khoa học do giáo sư James Tour, Đại học Rice (Houston, Texas) dẫn đầu vừa công bố một công nghệ mang tính đột phá, có thể làm thay đổi hoàn toàn cách thế giới tái chế pin lithium-ion. Công nghệ này không sử dụng axit mạnh, không tạo ra nước thải độc hại và tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể so với các phương pháp thương mại hiện nay. Phát minh này được gọi là kỹ thuật flash Joule heating – chlorination and oxidation (FJH-ClO).

Theo đánh giá của nhiều chuyên gia trong ngành, đây không chỉ là một cải tiến kỹ thuật, mà là một bước ngoặt chiến lược đối với chuỗi cung ứng vật liệu pin toàn cầu.

Khi tái chế pin trở thành bài toán môi trường và địa chính trị

Trong nhiều năm, tái chế pin lithium-ion chủ yếu dựa trên hai phương pháp chính: luyện kim nhiệt (pyrometallurgy) và luyện kim thủy (hydrometallurgy). Cả hai đều tồn tại những hạn chế lớn. Luyện kim nhiệt tiêu tốn nhiều năng lượng, phát thải cao và thường làm mất lithium. Trong khi đó, luyện kim thủy phụ thuộc nặng nề vào axit mạnh như sulfuric hoặc hydrochloric, tạo ra lượng lớn nước thải cần xử lý phức tạp.

Tiến sĩ Linda Gaines, chuyên gia kỳ cựu về tái chế pin tại Argonne National Laboratory, từng nhận định rằng: “Các công nghệ tái chế hiện nay tuy đã tiến bộ, nhưng vẫn chưa thực sự phù hợp với quy mô bùng nổ pin lithium-ion trong 10–20 năm tới. Áp lực môi trường và chi phí xử lý sẽ ngày càng lớn.”

Không chỉ là vấn đề môi trường, pin lithium-ion còn gắn liền với an ninh tài nguyên. Lithium, cobalt và nickel là những kim loại chiến lược, tập trung khai thác ở một số quốc gia nhất định. Bất ổn địa chính trị, chính sách xuất khẩu và yêu cầu ESG ngày càng nghiêm ngặt đang buộc các quốc gia phát triển phải tìm kiếm giải pháp tự chủ nguồn cung thông qua tái chế.

Flash Joule Heating – cách tiếp cận hoàn toàn khác

Công nghệ FJH-ClO của Đại học Rice đi theo một hướng khác biệt so với tư duy truyền thống. Thay vì “ngâm” vật liệu pin trong axit hàng giờ, nhóm nghiên cứu sử dụng các xung nhiệt cực ngắn, kéo dài chỉ vài phần nghìn giây.

Ở bước đầu tiên, pin đã được tháo rời và nghiền nhỏ sẽ được đưa vào môi trường khí clo và chịu tác động của flash Joule heating. Dưới tác động của nhiệt độ cực cao trong thời gian cực ngắn, các cấu trúc composite phức tạp trong điện cực pin bị phá vỡ, cho phép các kim loại chuyển sang dạng clorua.

Bước tiếp theo là gia nhiệt nhanh trong không khí, khiến phần lớn kim loại chuyển tiếp như cobalt, nickel, mangan chuyển thành dạng oxit. Riêng lithium có tính chất hóa học đặc biệt, không bị oxy hóa trong điều kiện này và vẫn giữ dạng lithium chloride, từ đó có thể được hòa tan và thu hồi chỉ bằng nước.

Giáo sư James Tour cho biết: “Chúng tôi cố tình thách thức giả định lâu nay rằng tái chế pin buộc phải dựa vào axit. FJH-ClO cho thấy chúng ta có thể tách vật liệu giá trị một cách nhanh, chính xác mà không gây tổn hại môi trường.”

Hiệu suất cao, hóa chất thấp và độ tinh khiết đáng kể

Theo kết quả thử nghiệm ban đầu, quy trình FJH-ClO có thể thu hồi gần như toàn bộ các thành phần cốt lõi của pin lithium-ion, bao gồm lithium, cobalt và graphite với độ tinh khiết cao. Điều này đặc biệt quan trọng bởi graphite tái chế chất lượng cao hiện là một trong những “điểm nghẽn” của ngành.

Tiến sĩ Shichen Xu, tác giả chính của nghiên cứu, nhấn mạnh rằng: “Sự đơn giản và tốc độ của FJH-ClO là yếu tố then chốt. Khi một quy trình có thể hoàn thành trong vài giây thay vì vài giờ, khả năng áp dụng thực tế sẽ tăng lên đáng kể.”

Các đánh giá sơ bộ cho thấy, ngay cả khi vận hành ở quy mô bán công nghiệp, công nghệ này có thể tiêu thụ ít hơn khoảng 50% năng lượng và giảm tới 95% lượng hóa chất so với các phương pháp truyền thống. Điều này đồng nghĩa với chi phí vận hành thấp hơn, rủi ro môi trường nhỏ hơn và khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn ESG khắt khe hơn.

Góc nhìn của chuyên gia: tiềm năng thay đổi chuỗi cung ứng

Giáo sư Gavin Harper, chuyên gia về kinh tế tuần hoàn pin tại Đại học Birmingham (Anh), nhận định rằng: “Nếu công nghệ này chứng minh được tính ổn định và khả năng mở rộng, nó có thể thay đổi cách các nhà sản xuất pin tiếp cận nguồn nguyên liệu thứ cấp. Việc thu hồi lithium hiệu quả là điều mà nhiều công nghệ hiện nay vẫn chưa làm tốt.”

Trong khi đó, ông Andy Leyland, cố vấn cấp cao về vật liệu pin cho nhiều tập đoàn châu Âu, cho rằng điểm mạnh lớn nhất của FJH-ClO nằm ở sự linh hoạt: “Một quy trình không phụ thuộc vào axit mạnh và ít tạo chất thải sẽ dễ dàng tích hợp vào các khu công nghiệp hiện hữu hơn, đặc biệt ở những quốc gia có quy định môi trường nghiêm ngặt.”

Khả năng mở rộng và thương mại hóa

Không dừng lại ở phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu tại Đại học Rice đang xúc tiến thương mại hóa công nghệ thông qua Flash Metals USA, một bộ phận thuộc Metallium. Mục tiêu là tích hợp FJH-ClO trực tiếp vào chuỗi cung ứng vật liệu pin, từ tái chế đến sản xuất lại.

Giáo sư Tour nhấn mạnh rằng đây không phải là một thí nghiệm mang tính học thuật đơn thuần: “Chúng tôi đang xây dựng một bản thiết kế cho ngành công nghiệp. Nhu cầu pin sẽ tiếp tục tăng mạnh, và chúng ta không thể đáp ứng nhu cầu đó bằng cách khai thác tài nguyên nguyên sinh mãi mãi.”

Tác động dài hạn: hướng tới kinh tế tuần hoàn thực sự

Nếu được triển khai rộng rãi, FJH-ClO có thể góp phần giảm đáng kể sự phụ thuộc vào khai thác mỏ, vốn thường gắn với phát thải cao, xung đột xã hội và suy thoái môi trường. Đồng thời, công nghệ này mở ra khả năng xây dựng các trung tâm tái chế pin gần khu vực tiêu thụ, rút ngắn chuỗi logistics và giảm phát thải vận chuyển.

Theo bà Maria Forsyth, chuyên gia chính sách năng lượng tại châu Âu, “Những công nghệ như FJH-ClO là điều kiện cần để kinh tế tuần hoàn pin trở thành hiện thực, chứ không chỉ là khẩu hiệu.”

Một chuẩn mực mới cho tái chế pin lithium-ion?

Dù vẫn cần thêm thời gian để kiểm chứng ở quy mô công nghiệp lớn, FJH-ClO đang được giới chuyên môn nhìn nhận như một trong những hướng tiếp cận hứa hẹn nhất hiện nay. Công nghệ này hội tụ ba yếu tố then chốt: hiệu quả kỹ thuật, lợi ích môi trường và tiềm năng kinh tế.

Trong bối cảnh thế giới đang chạy đua để đảm bảo nguồn cung vật liệu cho chuyển đổi năng lượng, những đột phá như của Đại học Rice có thể đóng vai trò then chốt. Nếu thành công, FJH-ClO không chỉ là một công nghệ mới, mà còn có thể trở thành chuẩn mực mới cho ngành tái chế pin lithium-ion toàn cầu, đưa khái niệm phát triển bền vững từ lý thuyết vào thực tiễn.

Nguồn: recyclinginternational và sưu tầm từ internet