Việc xử lý pin đã qua sử dụng một cách không phù hợp không chỉ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do rò rỉ các kim loại nặng và hóa chất độc hại mà còn làm lãng phí nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá như lithium, coban, niken - những thành phần chính cấu tạo nên pin. Trước bối cảnh đó, việc tìm kiếm các giải pháp tái chế pin hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.
Một hướng đi mới đầy hứa hẹn đang thu hút sự quan tâm của giới khoa học là tận dụng khí carbon dioxide (CO2) - một loại khí nhà kính thường được xem là "thủ phạm" gây biến đổi khí hậu - vào quy trình tái chế pin. Ý tưởng này không chỉ mở ra cơ hội giảm thiểu tác động tiêu cực của pin thải mà còn góp phần vào nỗ lực chung nhằm giảm phát thải CO2, hướng tới một nền kinh tế tuần hoàn bền vững.
Sự gia tăng theo cấp số nhân của pin lithium-ion (LIBs) trong các ứng dụng từ điện tử tiêu dùng đến xe điện đã dẫn đến một lượng lớn pin thải cần được xử lý khi hết vòng đời. Theo dự báo, lượng pin LIB thải trên toàn cầu có thể lên tới hàng triệu tấn mỗi năm trong những thập kỷ tới.
Nếu không được quản lý đúng cách, các thành phần độc hại trong pin như kim loại nặng (chì, thủy ngân, cadmium trong các loại pin cũ; coban, niken, mangan trong LIBs), dung môi hữu cơ dễ bay hơi và chất điện giải ăn mòn có thể ngấm vào đất, nước ngầm, gây ra những hậu quả khôn lường cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Bên cạnh đó, việc khai thác nguyên liệu thô để sản xuất pin mới cũng tiêu tốn nhiều năng lượng, tài nguyên nước và gây ra các vấn đề môi trường tại khu vực khai thác.
Các phương pháp tái chế pin truyền thống chủ yếu bao gồm luyện kim hỏa luyện (pyrometallurgy) và luyện kim thủy luyện (hydrometallurgy). Luyện kim hỏa luyện: Liên quan đến việc nung chảy pin ở nhiệt độ rất cao (thường trên 1400°C) để thu hồi một số kim loại cơ bản như coban, niken, đồng dưới dạng hợp kim. Quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng, phát thải khí độc hại (bao gồm cả CO2 và các khí axit) và thường không thu hồi được lithium hoặc nhôm một cách hiệu quả. Các thành phần hữu cơ và nhựa bị đốt cháy, gây ô nhiễm không khí.
Luyện kim thủy luyện: Bao gồm việc hòa tan các vật liệu hoạt động của pin (thường là "khối đen" sau khi nghiền và tách cơ học) bằng axit mạnh (như axit sulfuric, axit clohydric, axit nitric), sau đó tách và tinh chế các ion kim loại thông qua các quá trình như chiết dung môi, kết tủa hóa học hoặc điện phân.
Mặc dù phương pháp này có thể thu hồi kim loại với độ tinh khiết cao hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với hỏa luyện, nó lại tạo ra một lượng lớn nước thải chứa axit và các ion kim loại nặng, đòi hỏi quy trình xử lý phức tạp và tốn kém. Việc sử dụng axit mạnh cũng tiềm ẩn nguy cơ ăn mòn thiết bị và rủi ro an toàn lao động.
Cả hai phương pháp truyền thống đều có những hạn chế đáng kể về mặt môi trường, chi phí và hiệu quả thu hồi toàn diện các vật liệu giá trị. Điều này thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các công nghệ tái chế tiên tiến hơn, xanh hơn và bền vững hơn.
Carbon dioxide (CO2) từ lâu đã được biết đến là một trong những khí nhà kính chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Tuy nhiên, dưới góc độ hóa học, CO2 là một nguồn carbon C1 dồi dào, giá rẻ và có tiềm năng trở thành nguyên liệu đầu vào cho nhiều quá trình tổng hợp hóa học. Khái niệm Thu giữ, Sử dụng và Lưu trữ Carbon (Carbon Capture, Utilization, and Storage - CCUS) đang ngày càng được chú trọng, trong đó việc "sử dụng" CO2 (CCU) để tạo ra các sản phẩm có giá trị được xem là một giải pháp đôi bên cùng có lợi: vừa giảm thiểu lượng CO2 phát thải vào khí quyển, vừa tạo ra giá trị kinh tế. Trong bối cảnh tái chế pin, việc tích hợp CO2 vào quy trình có thể mang lại những lợi ích bất ngờ.
Các nhà khoa học đang khám phá nhiều cách thức khác nhau để tận dụng CO2 trong các giai đoạn của quá trình tái chế pin, đặc biệt là pin lithium-ion: Khi CO2 được nén và gia nhiệt vượt qua điểm tới hạn (31.1°C và 73.8 bar), nó chuyển sang trạng thái siêu tới hạn, sở hữu những đặc tính độc đáo kết hợp giữa chất lỏng và chất khí: tỷ trọng giống chất lỏng giúp hòa tan tốt nhiều chất, độ nhớt thấp và hệ số khuếch tán cao như chất khí giúp thâm nhập dễ dàng vào các cấu trúc xốp.
Trong tái chế pin, scCO2 có thể được sử dụng như một dung môi xanh, không độc hại, không cháy để chiết tách hiệu quả các chất điện giải hữu cơ (ví dụ: carbonate hữu cơ như EC, DMC, EMC và muối lithium LiPF6) và các chất kết dính (ví dụ: PVDF) ra khỏi vật liệu điện cực. Quá trình này giúp thu hồi các dung môi và muối lithium có giá trị, đồng thời làm sạch vật liệu điện cực (cathode và anode) cho các bước xử lý tiếp theo. Ưu điểm của scCO2 là khả năng điều chỉnh tính tan bằng cách thay đổi nhiệt độ và áp suất, dễ dàng tách khỏi sản phẩm sau quá trình chiết bằng cách giảm áp suất (CO2 chuyển về dạng khí và có thể được thu hồi, tái sử dụng), và không để lại dư lượng dung môi độc hại.
Một số quy trình tái chế pin, đặc biệt là xử lý pin kiềm hoặc xỉ từ quá trình hỏa luyện, tạo ra các sản phẩm phụ có tính kiềm cao. CO2 có thể phản ứng với các oxit hoặc hydroxit kim loại kiềm/kiềm thổ này (ví dụ: CaO, MgO, NaOH) để tạo thành các muối carbonate bền vững (CaCO3, MgCO3, Na2CO3). Quá trình này không chỉ giúp trung hòa độ pH của chất thải, giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm mà còn cố định CO2 dưới dạng khoáng chất rắn, góp phần giảm phát thải khí nhà kính. Các carbonate kim loại tạo thành cũng có thể có giá trị thương mại trong một số ứng dụng nhất định.
Trong các quy trình thủy luyện, CO2 hòa tan trong nước tạo thành axit carbonic (H2CO3), một axit yếu, có thể được sử dụng như một tác nhân lau rửa nhẹ nhàng hơn so với các axit mạnh truyền thống. Mặc dù khả năng hòa tan kim loại của axit carbonic hạn chế hơn, nó có thể phù hợp cho việc chiết tách chọn lọc một số kim loại hoặc xử lý các loại pin có hàm lượng kim loại thấp. Quan trọng hơn, CO2 có thể được sử dụng để điều chỉnh pH trong quá trình kết tủa chọn lọc kim loại. Ví dụ, sau khi hòa tan các kim loại từ pin, việc sục khí CO2 vào dung dịch có thể giúp kết tủa các kim loại dưới dạng carbonate (ví dụ: Li2CO3, NiCO3, CoCO3) ở các giá trị pH khác nhau, từ đó tách riêng chúng ra khỏi dung dịch. Phương pháp này tránh được việc sử dụng các hóa chất kết tủa khác có thể gây ô nhiễm thứ cấp.
CO2 có thể được sử dụng như một khối xây dựng C1 để tổng hợp các vật liệu mới từ các thành phần thu hồi được từ pin. Ví dụ, các kim loại chuyển tiếp như coban, niken, mangan sau khi được thu hồi có thể được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng chuyển hóa CO2 thành các hóa chất hữu ích hoặc polyme. Một hướng đi khác là sử dụng CO2 để tổng hợp trực tiếp các vật liệu điện cực mới. Nghiên cứu đang được tiến hành về khả năng tạo ra các vật liệu cathode hoặc anode dựa trên carbonate hoặc các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ CO2.
Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đang tích cực khám phá tiềm năng của CO2 trong tái chế pin. Ví dụ, các nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của scCO2 trong việc chiết tách hơn 90% chất điện giải và chất kết dính từ vật liệu cathode của pin LIBs. Các quy trình kết hợp scCO2 với các đồng dung môi (co-solvent) cũng đang được phát triển để tăng cường khả năng hòa tan và hiệu quả chiết tách.
Trong lĩnh vực khoáng hóa carbon, việc ứng dụng CO2 để xử lý xỉ từ quá trình luyện kim pin hoặc trung hòa các dung dịch kiềm thải đã cho thấy kết quả khả quan ở quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm. Tương tự, việc sử dụng CO2 để kết tủa lithium carbonate (Li2CO3) - một sản phẩm quan trọng trong chuỗi cung ứng pin - từ dung dịch sau quá trình lau rửa đang được coi là một giải pháp thay thế tiềm năng cho các phương pháp kết tủa truyền thống sử dụng soda (Na2CO3). Triển vọng ứng dụng CO2 trong tái chế pin là rất lớn. Nó không chỉ hứa hẹn giải quyết các vấn đề môi trường của các phương pháp hiện tại mà còn có thể cải thiện hiệu quả kinh tế của toàn bộ quy trình tái chế.
Việc tận dụng CO2 trong tái chế pin mang lại nhiều lợi ích đa chiều: Môi trường: Giảm phát thải khí nhà kính bằng cách sử dụng CO2 làm nguyên liệu thay vì thải bỏ; giảm thiểu việc sử dụng các hóa chất độc hại và dung môi hữu cơ dễ bay hơi; giảm lượng chất thải rắn và lỏng cần xử lý. Kinh tế: CO2 là một nguyên liệu đầu vào rẻ tiền và dồi dào. Việc tạo ra các sản phẩm phụ có giá trị (ví dụ: carbonate kim loại, dung môi thu hồi) có thể tăng doanh thu.
Các quy trình sử dụng CO2 có thể tiết kiệm năng lượng hơn so với các phương pháp truyền thống. Hiệu quả: CO2 siêu tới hạn cho phép chiết tách chọn lọc và hiệu quả các thành phần hữu cơ. Việc sử dụng CO2 để điều chỉnh pH hoặc kết tủa có thể cải thiện độ tinh khiết của các kim loại thu hồi. Bền vững: Góp phần xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn thực sự, nơi chất thải của một quá trình trở thành nguyên liệu cho một quá trình khác, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên thiên nhiên nguyên sinh.
Mặc dù tiềm năng là rất lớn, việc triển khai rộng rãi các công nghệ tận dụng CO2 trong tái chế pin vẫn đối mặt với một số thách thức: Kỹ thuật: Nhiều quy trình vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển, cần được tối ưu hóa và chứng minh tính khả thi ở quy mô công nghiệp. Ví dụ, việc sử dụng scCO2 đòi hỏi thiết bị chịu áp suất cao, có thể làm tăng chi phí đầu tư ban đầu. Hiệu quả của các phản ứng liên quan đến CO2 (ví dụ: khoáng hóa, tổng hợp vật liệu) cần được cải thiện.
Kinh tế: Chi phí tổng thể của các quy trình mới, bao gồm cả chi phí thu giữ và vận chuyển CO2 (nếu không có sẵn tại chỗ), cần phải cạnh tranh được với các phương pháp tái chế truyền thống. Nghiên cứu và Phát triển: Cần đầu tư nhiều hơn vào R&D để khám phá các cơ chế phản ứng mới, phát triển chất xúc tác hiệu quả cho các chuyển hóa liên quan đến CO2, và thiết kế các quy trình tích hợp tối ưu. Chính sách và Pháp lý: Cần có các chính sách khuyến khích và khung pháp lý hỗ trợ việc áp dụng các công nghệ tái chế xanh, bao gồm cả việc sử dụng CO2. Các tiêu chuẩn và quy định về tái chế pin cũng cần được cập nhật để phản ánh những tiến bộ công nghệ mới.
Trong tương lai, hướng phát triển sẽ tập trung vào việc tích hợp các công nghệ sử dụng CO2 với các phương pháp tái chế khác để tạo ra các quy trình lai (hybrid) hiệu quả hơn. Việc phát triển các lò phản ứng đa năng, có khả năng thực hiện nhiều bước xử lý trong cùng một thiết bị, cũng là một mục tiêu quan trọng. Hơn nữa, việc phân tích vòng đời (Life Cycle Assessment - LCA) toàn diện sẽ cần thiết để đánh giá chính xác tác động môi trường và kinh tế của các công nghệ mới này.
Tận dụng CO2 trong tái chế pin không còn là một ý tưởng khoa học viễn tưởng mà đang dần trở thành một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng đầy triển vọng. Bằng cách biến một loại khí thải có vấn đề thành một nguồn tài nguyên giá trị, chúng ta có thể phát triển các quy trình tái chế pin sạch hơn, hiệu quả hơn và kinh tế hơn. Mặc dù còn nhiều thách thức phía trước, những nỗ lực không ngừng trong nghiên cứu và đổi mới công nghệ, cùng với sự hỗ trợ từ chính sách và cộng đồng, hứa hẹn sẽ mở đường cho CO2 đóng một vai trò quan trọng trong việc xây dựng một tương lai bền vững cho ngành công nghiệp pin và góp phần hiện thực hóa nền kinh tế tuần hoàn. Đây là một bước tiến quan trọng không chỉ giúp giải quyết khủng hoảng pin thải mà còn đóng góp vào cuộc chiến chống biến đổi khí hậu toàn cầu./.
