Xác định kim loại trong quy trình tái chế pin lithium-Ion với XRF di động

Khi nhu cầu toàn cầu về xe điện tăng nhanh, thì nhu cầu về pin lithium-ion (Li-ion) hiệu suất cao cũng tăng theo. Mặc dù pin Li-ion đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng bền vững hơn, nhưng chúng cần được quản lý một cách có trách nhiệm khi hết tuổi thọ.

Hình 1. Pin lithium-ion đã qua sử dụng từ xe điện

Tái chế pin đúng cách thúc đẩy nền kinh tế phát triển, trong đó nguyên liệu làm pin được giữ lại để giảm lãng phí và ô nhiễm. Vật liệu được chiết xuất có thể được tái sản xuất thành pin mới hoặc được sử dụng cho các ứng dụng khác, giảm nhu cầu về nguyên liệu thô trong quá trình sản xuất mới.

Bài post này xem xét giá trị của việc tái chế pin Li-ion, chia sẻ quy trình tái chế pin và nhấn mạnh vào cách công nghệ huỳnh quang tia X di động (XRF) hỗ trợ thu hồi hiệu quả các kim loại có khả năng gây nguy hiểm hay có giá trị từ chất thải pin.

Tầm quan trọng của việc tái chế pin Li-Ion vì một tương lai xanh hơn

Tái chế pin lithium-ion là một quá trình quan trọng để theo đuổi một tương lai bền vững hơn. Từ cung cấp năng lượng cho xe điện đến lưu trữ năng lượng tái tạo, pin Li-ion đóng vai trò then chốt trong xã hội hiện đại.

Tính riêng tại thị trường Bắc Mỹ năm 2021, giá thành trung bình của một tấn lithium chạm mốc 17.000 USD, gấp 7 lần con số 2.425 USD/tấn của nguyên liệu chì. Báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đồng thời cho thấy chi phí nguyên vật liệu thô đã chiếm nửa tổng chi phí chế tạo pin lithium-ion.

Tuy nhiên, việc xử lý pin không đúng cách đặt ra những thách thức về môi trường và tài nguyên. Tái chế pin Li-ion rất quan trọng vì nó cho phép thu hồi các kim loại có giá trị như lithium (Li), coban (Co) và niken (Ni), giảm nhu cầu khai thác tài nguyên và thúc đẩy nền kinh tế. Tái chế pin cũng làm giảm tác động môi trường bằng cách ngăn chặn các vật liệu nguy hiểm trong pin ngấm vào đất và nguồn nước, cũng như giảm phát thải khí nhà kính liên quan đến việc sản xuất pin mới.

Thông qua các hoạt động tái chế có trách nhiệm, vòng đời của pin được kéo dài để tối đa hóa giá trị kinh tế và môi trường của chúng. Tái chế pin là một hoạt động cần thiết để tạo ra một môi trường năng lượng bền vững, bảo tồn tài nguyên thiên nhiên và giảm thiểu tác hại đối với con người.

Trở ngại khi tái chế pin Li-Ion

Báo cáo của Cơ quan Khảo sát Địa Chất Hoa Kỳ đồng thời chỉ tên hơn mười công ty Bắc Mỹ và Châu Âu hoặc đã có dây chuyền, hoặc sẽ lên kế hoạch tái chế pin lithium. Con số khiến người nghe lạc quan, khi vài năm trước số lượng nhà máy có thể tái chế pin chỉ dừng ở con số một.

Với những cơ sở tái chế pin đã đang tồn tại, quá trình xử lý truyền thống không đủ hiệu quả để chiết xuất lithium chất lượng cao dùng được trong tái chế. Ví dụ, phương pháp dùng nhiệt luyện pin vốn dễ tăng quy mô, ứng dụng được với bất cứ dạng pin nào, nhưng lại tốn kém năng lượng vô cùng vào quá trình nung chảy pin.

Lượng tro còn lại vẫn chứa nguyên vật liệu tái sử dụng được, nhưng phương pháp vẫn tạo ra lượng khói độc hại lớn, thậm chí tiêu hủy những vật liệu có tiềm năng tái chế được. Những phương pháp dùng chất hóa học để tách nguyên vật liệu khỏi pin vừa phức tạp, lại vừa kén đối tượng áp dụng.

Trở ngại lớn nằm ở việc phân tách thành phần của những hệ thống pin ngày một phức tạp. Pin ngày nay là tổ hợp của nhiều khoang, bảo bọc từng khối (cell) pin riêng lẻ; đây mới là nơi những kim loại quý giá nhất ẩn mình. Việc tách khối dù khả thi, nhưng vẫn nhiêu khê vô cùng, quy trình sẽ cần tự động hóa để đạt hiệu năng cao nhất.

Quy trình tái chế pin Li-Ion

Để đạt được khả năng phục hồi tài nguyên hiệu quả và giảm tác động đến môi trường, quy trình tái chế pin Li-ion bao gồm một số giai đoạn:

Đầu tiên, pin đã qua sử dụng được thu gom từ nhiều nơi, bao gồm các cơ quan tái chế và cơ sở xử lý rác thải điện tử. Để tránh ô nhiễm chéo, các loại pin này được phân loại dựa trên thành phần hóa học, kích thước và loại của chúng.
Tiếp theo, pin trải qua giai đoạn tiền xử lý, trong đó chất điện phân và lớp vỏ hoặc bao bì bên ngoài được loại bỏ. Pin Li-ion được xả hết trước khi xử lý để loại bỏ nguy cơ tự bốc cháy. Pin được chuẩn bị để xử lý thêm, sau đó được cắt nhỏ hoặc nghiền cơ học thành các mảnh nhỏ hơn. Bằng cách phơi bày các thành phần bên trong của pin, các thành phần có giá trị có thể được trích xuất và phân tách hiệu quả hơn.
Nhiều quy trình chuyên biệt được sử dụng để chiết xuất các kim loại quý của pin, bao gồm lithium (Li), coban (Co), niken (Ni), chì (Pb) và cadmium (Cd) (xem Hình 1). Không cần khai thác tài nguyên vì những kim loại này có thể được tái chế và sử dụng để sản xuất pin mới hoặc các sản phẩm khác.
Thu hồi các thành phần nhựa là một mục đích khác của tái chế. Các thành phần nhựa có thể được tái chế hoặc sử dụng làm nhiên liệu sau khi được tách ra khỏi các mảnh pin, mở ra một cơ hội khác để bảo tồn tài nguyên.
Chất điện phân từ một số loại pin, chẳng hạn như cực âm của pin Li-ion (được gọi là khối đen hoặc bột đen), có thể được thu hồi bằng một số quy trình độc quyền và tái sử dụng hoặc thải bỏ. để xử lý thích hợp. Các hợp chất có khả năng gây nguy hiểm được quản lý đúng cách thông qua quá trình này. Cực âm của pin Li-ion (khối đen), cần được làm lại trong quy trình sản xuất pin, có thể được phục hồi, thử nghiệm và tái sử dụng.
Các quy định về môi trường được tuân thủ nghiêm ngặt trong toàn bộ quy trình tái chế pin. Điều này bao gồm giảm thiểu bất kỳ tác hại tiềm ẩn nào đối với môi trường và sức khỏe con người thông qua việc xử lý đúng cách chất thải nguy hại, xử lý nước thải và kiểm soát khí thải.
Bước cuối cùng là xử lý đúng cách bất kỳ chất thải còn lại nào không thể tái chế hoặc thu hồi trong khi tuân thủ các luật và quy định đã được thiết lập.

Hình 2. Quy trình tái chế pin lithium-ion đã qua sử dụng (Zachary J. Baum, Robert E. Bird, Xiang Yu và Jia Ma. ACS Energy Letters 2022 7 (2), 712–719)

Tái chế pin lithium-ion bảo tồn nguồn tài nguyên khan hiếm, giảm nhu cầu về nguyên liệu thô và khuyến khích các phương pháp sản xuất và thải bỏ pin thân thiện với môi trường hơn. Những nỗ lực tái chế này đóng góp vào nền kinh tế, trong đó vật liệu pin được lưu thông càng lâu càng tốt.

Phân tích XRF di động sử dụng trong tái chế pin Li-Ion

Sử dụng máy phân tích XRF di động dòng Vanta™ (Hình 3), giúp tái chế pin lithium-ion dễ dàng hơn bằng cách cho phép người vận hành kiểm tra thành phần nguyên tố của mẫu ở các giai đoạn khác nhau của quá trình tái chế pin. Có khả năng cung cấp kết quả tại chỗ, máy phân tích Vanta có thể xác định hàm lượng nguyên tố và kim loại của pin Li-ion, chẳng hạn như lithium (Li), coban (Co) và niken (Ni), trong suốt quá trình tháo gỡ và phân tách vật liệu, cũng như trong quá trình kết tủa. Phân tích nhanh giúp tách và sắp xếp hiệu quả các loại pin khác nhau để tái chế đúng cách.

Hình 3. Máy phân tích XRF cầm tay VANTA sử dụng trong tái chế pin lithium-ion

Máy phân tích XRF cầm tay Vanta còn có thể xác định các tạp chất như chì (Pb) hay thủy ngân (Hg) có hại cho sức khỏe người tiêu dùng và môi trường. Máy phân tích Vanta cung cấp kết quả đạt/không đạt và giới hạn phát hiện thấp đối với các nguyên tố được quy định để giúp việc sàng lọc tuân thủ trở nên dễ dàng. Camera tùy chọn và kết nối không dây hợp lý hóa việc lưu trữ dữ liệu. Do đó, máy phân tích Vanta là một công cụ hữu ích để đánh giá chất lượng và độ tinh khiết của rác thải pin Li-ion đã qua sử dụng tuân thủ các quy định và tiêu chuẩn. Các hoạt động tái chế pin có thể cải thiện năng suất, nâng cao tính bền vững và hỗ trợ quản lý rác thải hiệu quả bằng cách sử dụng XRF di động trong quy trình.

Kết quả XRF di động cho các mẫu chất thải pin lithium-Ion

Hình 4 cho thấy kết quả XRF của mẫu chất thải pin Li-ion (khối màu đen) bằng máy phân tích Vanta. Kết quả cho thấy máy phân tích Vanta có thể phân tích các kim loại như niken (Ni), coban (Co), nhôm (Al) và mangan (Mn) trong các khối đen.

Hình 4. Kết quả hóa học và phổ của mẫu pin Li-ion phế thải (khối đen)

Phân tích không phá hủy cung cấp kết quả nhanh chóng và chính xác với việc chuẩn bị mẫu tối thiểu. Với giao diện người dùng trực quan và phần mềm có thể tùy chỉnh, máy phân tích Vanta rất dễ sử dụng để kiểm tra nâng cao năng suất.