Mọi loại pin trên các phương tiện di chuyển cá nhân chạy điện đều có hạn sử dụng, và xuống cấp theo thời gian, ngay cả khi không sử dụng thường xuyên. Hầu hết các pin đều có thể tái chế, và tùy từng loại sẽ có cách xử lý khác nhau.

Pin lithium (bao gồm lithium-ion và LFP - lithium sắt phosphate)

Đầu tiên, pin hết hạn sử dụng được thu gom, khử điện để tránh cháy nổ, phân loại theo tính chất hóa học như lithium-ion, lithium sắt phosphate (LFP), lithium cobalt oxide (LCO). Các pin được phân loại sẽ chuyển qua bước tiếp theo là phân tách các thành phần cấu tạo, như vỏ, cực dương, cực âm, mạch bảo vệ, chất điện phân...

Sau khi tách và loại bỏ lớp vỏ nhựa, các chi tiết nhôm, đồng, pin được xay mịn thành một hỗn hợp bột kim loại gọi là "bột đen" (black mass), chứa những kim loại tạo nên bộ phận đắt tiền nhất của pin là cực dương và cực âm. Sở dĩ có màu đen là do nồng độ than chì cao trong cực dương của pin. Lúc này, có hai phương pháp chính để xử lý "bột đen", bao gồm thủy luyện và nhiệt luyện.

"Bột đen" trong quá trình tái chế pin lithium-ion. Ảnh: Aquametals

Thủy luyện là phương pháp tái chế pin lithium-ion bằng cách dùng axit (như H2SO4 hoặc HCl) để hòa tan các kim loại trong "bột đen", phản ứng sẽ tạo ra oxit của các kim loại, sau đó tách riêng từng kim loại qua các bước kết tủa, chiết tách hoặc điện phân. Phương pháp này cho hiệu suất thu hồi cao, đặc biệt là với lithium, cobalt, nickel và mangan, đồng thời cho sản phẩm đầu ra tinh khiết, có thể tái sử dụng để sản xuất pin mới.

Ưu điểm của thủy luyện là ít phát thải khí độc hại, tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí thấp, thu hồi được hầu hết kim loại quý và cả lithium. Tuy nhiên, việc sử dụng axit nguy hiểm trong quá trình chiết xuất gây ra những lo ngại về an toàn, cần xử lý nước thải và hóa chất thừa, cũng như phương pháp này đòi hỏi quy trình xử lý phức tạp, tốn kém để chọn lọc từng loại muối kim loại.

Nhân viên giám sát các pin lithium-ion trên băng chuyền trong nhà máy tái chế pin Li-Cycle tại Mỹ. Ảnh: Li-Cycle

Đối với nhiệt luyện, pin đã rã hoặc "bột đen" được trộn thêm các chất phụ trợ, sau đó nung chảy ở nhiệt độ cao. Các kim loại như cobalt, nickel và đồng nóng chảy thành hợp kim lỏng, các chất khác như lithium, nhôm, mangan, sắt và phosphate phản ứng tạo xỉ hoặc bay hơi, graphite và các chất hữu cơ đốt cháy thành CO2. Hợp kim lỏng sau đó được làm nguội, nghiền nhỏ và đưa qua các bước tinh luyện bằng hóa chất để tách riêng từng kim loại.

Ưu điểm của phương pháp này là dễ mở rộng quy mô, xử lý được pin không phân loại, có thể tận dụng hạ tầng luyện kim sẵn có, ít phụ thuộc vào hóa chất, thu hồi hiệu quả cobalt và nickel. Nhược điểm là khó thu hồi lithium và graphite, thải nhiều CO2, tiêu tốn năng lượng, và hiệu quả thấp với pin không chứa kim loại quý như LFP (không chứa cobalt, nickel, đồng). Nhiều công ty tái chế pin đã kết hợp nhiệt luyện với thủy luyện để thu hồi lithium, giảm phát thải và nâng hiệu suất.

Pin axit-chì

Nếu như quy trình xử lý pin lithium-ion phức tạp, nhiều phát thải, cách xử lý pin axit-chì dễ dàng và ít tốn kém hơn nhiều lần. Tỷ lệ thu hồi vật liệu trong quy trình tái chế pin axit-chì rất cao, có thể đạt trên 95%.

Công nhân tháo rã pin axit-chì để tái chế tại công ty ACE Green Recycling Inc (Ấn Độ), năm 2021. Ảnh: Reuters

Trước tiên, pin cũ được thu gom, kiểm tra, tách riêng dung dịch axit sulfuric (H2SO4), sau đó đưa vào máy nghiền. Hỗn hợp này được đưa vào bể phân tách: phần nhựa vỏ pin nổi lên được thu gom để tái chế thành hạt nhựa, các hợp chất chì (Pb, PbO2, PbSO2) lắng xuống đáy được đưa vào lò nấu để luyện thành chì nguyên chất hoặc hợp kim chì. Dung dịch axit sulfuric được lọc tạp chất, chỉnh nồng độ để tái sử dụng hoặc trộn với chất kiềm như vôi tôi Ca(OH)2 hoặc xút NaOH để tạo ra thạch cao (CaSO4.2H2O), dùng trong ngành xây dựng.

Toàn bộ quy trình trên có thể thu hồi gần như toàn bộ vật liệu trong pin, đặc biệt là chì, và được thực hiện phổ biến trên toàn cầu nhờ chi phí thấp, hiệu quả kinh tế cao và dễ kiểm soát công nghệ. Tuy nhiên, quá trình này cũng tạo ra khí độc nếu nhà máy tái chế không có hệ thống lọc khí, lọc bụi hay xử lý nước thải, đặc biệt là ở những cơ sở tái chế thủ công, không được cấp phép.

Hồ Tân