Khai thác lithium làm pin xe điện – thực tế và sự khan hiếm

Nhu cầu lithium  tăng đột biến

Trong hai thập kỷ qua, pin lithium-ion đã gây ra sự thay đổi trong việc tiêu thụ kim loại và khoáng sản. Bối cảnh dự kiến ​​sẽ còn thay đổi hơn nữa khi pin Li-ion phát triển từ các ứng dụng di động, chẳng hạn như điện thoại di động với bộ pin nhỏ 10 watt giờ (Wh), đến xe điện có dung lượng pin 50–100kWh và tới Hệ thống lưu trữ năng lượng khổng lồ (ESS) với bộ pin lên tới 10MWh. Vào đầu thiên niên kỷ, chỉ một tỷ lệ nhỏ coban và lithium được sử dụng để sản xuất pin, nhưng đến năm 2015, 46% coban và 32% lithium đã được sử dụng để sản xuất Li-ion. Than chì, niken mangan, đồng và nhôm không bị ảnh hưởng theo cách tương tự.

Việc tìm kiếm đủ nguồn cung cấp lithium thô đang thúc đẩy các ngành khai thác mỏ nhằm tăng sản lượng. Một pin EV (Nissan Leaf) sử dụng khoảng 4kg lithium và nếu mọi người đều muốn sở hữu xe điện thì việc thiếu hụt lithium là hoàn toàn có thể. Ai cũng bàn tán về việc thiếu lithium mặc dù hiện tại vẫn còn quá sớm để lo lắng về việc này. Tuy nhiên, giá lithium lên xuống theo cung cầu.

Khai thác lithium từ đâu?

Khoảng 70% lượng lithium của thế giới đến từ nước muối (hồ muối – salt lake); phần còn lại có nguồn gốc từ mỏ quặng. Ngoài ra, các tổ chức nghiên cứu đang phát triển công nghệ khai thác lithium từ nước biển.

Định nghĩa “Hồ muối” – “salt lake”: là khu vực nước hồ có mật độ cao các loại muối (chủ yếu là NaCl) và các khoáng chất hòa tan khác cao hơn nhiều so với các hồ thông thường (mật độ này thường là ít nhất 3grams muối trên một lít nước). Ở một số nơi, lượng muối này còn cao hơn nước biển. Các hồ này còn được gọi bằng các tên khác như “Hồ hồng” dựa theo màu sắc của chúng. Một hồ muối alkalic có mật độ Carbonate cao còn được gọi là “Hồ soda”. – Định nghĩa bởi https://en.wikipedia.org/wiki/Salt_lake

Trung Quốc là nước tiêu thụ lithium lớn nhất, người Trung Quốc tin rằng ô tô trong tương lai sẽ chạy bằng pin Li-ion và nguồn cung cấp lithium không giới hạn là một điều quan trọng.

Năm 2009, tổng nhu cầu về lithium đạt gần 92.000 tấn, trong đó pin tiêu thụ 26%. Hình 1 minh họa các ứng dụng điển hình của lithium, bao gồm chất bôi trơn, thủy tinh, gốm sứ, dược phẩm và điện lạnh.

 

Hình 1: Mức tiêu thụ lithium (2015) ^[1]

Các bạn có thể thấy, pin tiêu thụ phần lớn sản lượng lithium. Với sự ra đời của xe điện, nhu cầu có thể tăng vọt nhưng hiện tại thế giới đã có đủ trữ lượng lithium dự trữ. COVID-19 vào năm 2020 đã tạm thời làm gián đoạn nhu cầu này.

Các quốc gia hàng đầu thế giới có nguồn cung lithium

Hầu hết nguồn cung cấp lithium được biết đến là ở Bolivia, Argentina, Chile, Australia và Trung Quốc. Chất lượng lithium tốt và các báo cáo tiết lộ rằng Brazil có trữ lượng khoáng sản lithium không chỉ có chất lượng cao hơn mà còn có chi phí chiết suất thấp. Trong khi đó, vào năm 2019, Tây Úc đã trở thành nhà sản xuất lithium số một toàn cầu, nhà sản xuất đất hiếm lớn thứ hai, thứ 3 về sản xuất cobalt, thứ 4 về sản xuất niken.

Nguồn cung dồi dào và mối lo ngại về tình trạng thiếu hụt toàn cầu chỉ là suy đoán. Để đạt được một tấn lithium, Châu Mỹ Latinh sử dụng 750 tấn nước muối, nguyên liệu cơ bản cho lithium và mất thêm 24 tháng chuẩn bị. Lithium cũng có thể được tái chế với số lần không giới hạn, nhưng ngày nay không có công nghệ tái chế nào có khả năng sản xuất lithium đủ tinh khiết để sử dụng lần thứ hai trong pin. Người ta nói rằng 20 tấn pin Li-ion đã qua sử dụng sẽ tạo ra một tấn lithium. Điều này sẽ giúp ích cho việc cung cấp, nhưng việc tái chế có thể tốn kém hơn so với việc thu được nguồn cung mới thông qua khai thác.

Lithium thường có nguồn gốc từ nước muối, một quá trình sử dụng nhiều nước và năng lượng. Theo www.foeeurope.org , 0,05-1 mg lithium cần 1 lít nước muối/nước khoáng. Các khu vực giàu lithium thường khô cằn và điều này làm tăng chi phí khai thác. Điều kiện khô và mặn cũng có thể gây tổn hại cho sức khỏe người lao động. Khai thác nước biển là một cách khai thác lithium tốn kém hơn. Ngoài ra, việc khai thác và tinh chế kim loại lithium còn gây ô nhiễm môi trường.

Lithium được đặt tên theo từ “lithos” trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là “đá”. Kim loại mềm, màu trắng bạc thuộc nhóm kim loại kiềm gồm các nguyên tố hóa học và được ký hiệu bằng ký hiệu Li. Nó là kim loại nhẹ nhất trong tất cả các kim loại, người ta gọi là vàng trắng.

Hầu hết pin Li-ion không chứa lithium ở dạng kim loại mà ở dạng oxit kim loại. Điều này trái ngược với pin lithium kim loại sử dụng lithium làm anode. Hầu hết pin lithium kim loại hiện nay đều không là pin không sạc lại.

Khi tiếp xúc với oxy, lithium tạo thành một lớp oxit tương tự như rỉ sét trên sắt làm thay đổi bề ngoài. Cho lithium tiếp xúc với nước tạo ra hydro và lithium hydroxit. Với sự có mặt của oxy (O ₂ ) trong không khí và hydro (H ₂ ) được tạo ra, nhiệt sinh ra từ phản ứng có thể dẫn đến tự bốc cháy.

Nguyên liệu thô lithium trong pin Li-ion chỉ bằng một phần trăm mỗi watt, hoặc ít hơn 1% chi phí pin. Một cục pin trị giá 10.000 USD dành cho xe plug-in hybrid chứa lượng lithium trị giá dưới 100 USD. Sự thiếu hụt khi sản xuất hàng triệu pin lớn cho xe cộ và các ứng dụng cố định có thể làm tăng giá, nhưng hiện tại thì không phải vậy.

Thay vì lo lắng về việc thiếu lithium, có thể sẽ xảy ra tình trạng thiếu nguyên liệu đất hiếm nếu xe điện thay thế ô tô thông thường. Một trong những vật liệu như vậy là nam châm vĩnh cửu dùng cho động cơ điện. Nam châm vĩnh cửu làm nên những động cơ tiết kiệm năng lượng nhất. Trung Quốc kiểm soát khoảng 95% thị trường kim loại đất hiếm toàn cầu và dự kiến ​​sẽ sử dụng phần lớn nguồn tài nguyên này cho hoạt động sản xuất của mình. Việc xuất khẩu nguyên liệu đất hiếm bị kiểm soát chặt chẽ.

Hình 2: Mỏ Lithium ở đáy biển