Quy trình tái chế pin

Các nhà tái chế lớn

Tiến bộ đang được thực hiện và Duesenfeld GmbH chứng minh một phương pháp cải tiến sử dụng ít hơn 70% năng lượng để tái chế pin lithium-ion so với lò luyện kim truyền thống. Hình 1 minh họa nhà máy tái chế pin xe điện EV tại Đức.

Hình 1: Nhà máy tái chế pin xe điện ở Đức 

Quá trình tái chế pin Li-ion thường bắt đầu bằng việc vô hiệu hóa pin bao gồm xả hoàn toàn để loại bỏ năng lượng được lưu trữ và ngăn ngừa sự cố nhiệt bất ngờ. Chất điện phân cũng có thể được đông lạnh để ngăn ngừa các phản ứng điện hóa trong quá trình nghiền nát. Duesenfeld đã cấp bằng sáng chế cho một quy trình làm bay hơi và thu hồi dung môi hữu cơ của chất điện phân trong chân không bằng cách ngưng tụ. Quy trình này được cho là không tạo ra khí thải độc hại. Trong Hình 2 , các kỹ thuật viên tháo rời pin EV để tái chế.

Hình 2: Tháo rời pin lithium ion để tái chế

Các bước sau đây được chia thành các phương pháp xử lý cơ học, nhiệt luyện và thủy luyện. Cơ học bao gồm nghiền nát các cell pin; nhiệt luyện chiết xuất kim loại bằng cách xử lý nhiệt; và thủy luyện bao gồm các quy trình xử lý bằng nước.

Sau khi tháo rời, quá trình phân loại sẽ tách rời đồng, nhôm, bộ tách và vật liệu phủ. Niken, coban và đồng có thể được tái chế từ phôi, nhưng liti và nhôm vẫn còn trong xỉ. Cần phải có một quy trình thủy luyện để thu hồi liti. Quy trình này bao gồm ngâm chiết, chiết xuất, kết tinh và kết tủa từ dung dịch lỏng. Xử lý thủy luyện được sử dụng để thu hồi kim loại nguyên chất, ví dụ như liti, thu được từ vật liệu phủ đã tách sau các quy trình cơ học hoặc từ xỉ trong các quy trình nhiệt luyện.

Umicore tại Bỉ sử dụng lò nung để nấu chảy pin trực tiếp để thu hồi 95% coban, niken và đồng. Sau lò nung, Umicore sử dụng quy trình rửa bằng khí đặc biệt để làm sạch tro độc hại lẫn trong  khí thải có chứa flo. Để giảm thiểu nguy cơ hỏa hoạn trong quá trình tái chế, các cơ sở lò đốt nhỏ hơn để xử lý  li-ion ở bên ngoài trước khi phân tách cơ học.

Duesenfeld ở Đức xả pin, nghiền chúng trong môi trường trơ, làm bay hơi và ngưng tụ lại các dung môi hữu cơ của chất điện phân và tách vật liệu phủ điện cực khỏi phần còn lại. Sau đó, kim loại được chiết xuất từ ​​các vật liệu hoạt động trước đó. Than chì được lọc và thu hồi, sau đó sản xuất ra lithium-cacbonat, niken-sunfat, coban-sunfat và mangan-sunfat. Quá trình tái chế này tạo ra nhiều kim loại hơn so với phương pháp nhiệt Umicore. Lượng khí thải CO ₂ cũng giảm trong khi tiết kiệm năng lượng và giảm sự hình thành các khí độc hại.

Hình 3: Than chì tái chế từ pin lithium-ion

Hình 4: Liti-cacbonat tái chế từ pin lithium-ion 

Ở Bắc Mỹ, Retriev Technologies, trước đây là Toxco, và Công ty tái chế pin sạc (RBRC) thu gom pin đã qua sử dụng và tái chế chúng. Trong khi Retriev có các cơ sở tái chế riêng, RBRC chịu trách nhiệm thu gom pin và gửi chúng đến các tổ chức tái chế. Retriev ở Trail, British Columbia, tuyên bố là công ty duy nhất trên thế giới tái chế pin lithium lớn. Họ nhận pin đã qua sử dụng từ hoạt động khoan dầu ở Nigeria, Indonesia và những nơi khác. Họ cũng tái chế pin lithium đã ngừng hoạt động từ các silo tên lửa Minuteman và hàng tấn pin Li-ion từ chiến tranh. Các bộ phận khác tại Retriev tái chế niken-cadmium, niken-kim loại-hydride, chì, thủy ngân, kiềm và nhiều loại khác.

Châu Âu và Châu Á cũng đang tích cực tái chế pin đã qua sử dụng. Trong số các công ty tái chế khác, Sony và Sumitomo Metal tại Nhật Bản và Umicore tại Bỉ đã phát triển công nghệ để thu hồi coban và các kim loại quý khác từ pin lithium ion đã qua sử dụng.

Umicore sử dụng quy trình nhiệt độ cực cao (ultra-high temperature – UHT) để tái chế pin Li-ion và NiMH. Các khối pin đã qua sử dụng được tháo rời và nấu chảy trong lò UHT. Các loại pin thải được tách thành hợp kim kim loại chứa đồng, coban và niken, và xỉ, một loại chất thải đá chứa kim loại đất hiếm. Xỉ có thể được xử lý thêm để thu hồi lithium, nhưng tái tạo lithium đủ sạch để làm pin vẫn chưa kinh tế và xỉ được dùng trong ngành xây dựng. Các phương pháp mới đang được nghiên cứu để chiết xuất lithium và luyện thành lithium cacbonat phục vụ cho sản xuất Li-ion. Với dự đoán mức tăng trưởng gấp 10 lần trong việc sử dụng pin Li-ion từ năm 2020 đến năm 2030, việc tái sử dụng lithium có thể trở nên kinh tế hơn, do đó, kim loại này lại được đưa vào sản xuất pin giống như chì đối với pin axit chì.

Quy trình tái chế pin 

Quá trình tái chế bắt đầu bằng cách phân loại pin thành các loại hóa chất. Các trung tâm thu gom đặt axit chì, niken-cadmium, niken-kim loại-hydride và ion lithium vào các thùng phuy, bao tải hoặc hộp được chỉ định. Những người tái chế pin tuyên bố rằng việc tái chế có thể mang lại lợi nhuận nếu họ thu gom được đủ khối lượng pin ổn định, đã được phân loại sẵn theo hóa chất.

Quá trình tái chế bắt đầu bằng cách loại bỏ vật liệu dễ cháy, chẳng hạn như nhựa và vật liệu cách điện, bằng chất oxy hóa nhiệt đốt bằng khí. Các hạt gây ô nhiễm vốn là sản phẩm của quá trình đốt cháy được hấp thụ bởi hệ thống “scrubber” của nhà máy trước khi thải ra khí quyển. Sản phẩm là các cell trần chỉ chứa kim loại.

Sau đó, các cell được cắt nhỏ và đun nóng cho đến khi kim loại hóa lỏng. Các chất phi kim loại bị đốt cháy, tạo thành lớp xỉ đen ở trên cùng sau đó sẽ được máy móc loại bỏ. Các hợp kim lắng xuống theo trọng lượng và được gạn giống như người ta hớp váng lớp kem trên mặt lớp sữa tươi.

Cadmium tương đối nhẹ và bốc hơi ở nhiệt độ cao. Trong một quá trình giống như đun sôi nước, một chiếc quạt thổi hơi cadmium vào một ống lớn được làm mát bằng nước. Hơi ngưng tụ chính là cadmium tinh khiết 99,95 %.

Một số đơn vị tái chế không tách kim loại tại chỗ mà đổ trực tiếp kim loại lỏng vào những gì mà ngành công nghiệp gọi là “pig – lợn” (24kg) hoặc “lợn đực- hogs” (746kg). Các đơn vị tái chế pin khác sử dụng nuggets (3,17kg). Những pigs hogs, và nuggets này được chuyển đến các nhà máy thu hồi kim loại, nơi chúng được sử dụng để sản xuất niken, crom và sắt cho thép không gỉ và các sản phẩm cao cấp khác.

Để giảm khả năng xảy ra phản ứng trong quá trình nghiền, một số đơn vị tái chế sử dụng giải pháp dịch lỏng hoặc đông lạnh pin lithium bằng nitơ lỏng; tuy nhiên, việc trộn pin khởi động Li-ion với loại axit chì thông thường vẫn là một vấn đề vì pin Li-ion tích điện dễ nổ hơn nhiều so với axit chì.

Tái chế pin tốn nhiều năng lượng. Các báo cáo cho thấy cần nhiều năng lượng hơn từ 6 đến 10 lần để thu hồi kim loại từ một số loại pin tái chế so với khai thác thô. Ngoại lệ là pin axit chì, từ đó chì có thể được chiết xuất dễ dàng và tái sử dụng mà không cần các quy trình phức tạp. Ở một mức độ nào đó, niken từ NiMH cũng có thể được thu hồi một cách kinh tế nếu có sẵn với số lượng lớn.

Các phương pháp tái chế mới đang được phát triển để thu hồi kim loại bằng phương pháp điện phân, còn được gọi là tái chế hóa học. Quá trình này được cho là tiết kiệm chi phí hơn và tạo ra năng suất cao hơn với ít chất gây ô nhiễm hơn so với phương pháp nấu chảy truyền thống. Một giải pháp thay thế như vậy để tái chế pin axit chì đã được Aqua Metals phát triển. Công nghệ này có tiềm năng cách mạng hóa các phương pháp nấu chảy truyền thống. Một quá trình điện hóa tách chì bằng cách phá vỡ kim loại thành các hạt có kích thước nano được phân tán trong nước để tạo ra kim loại keo thủy phân. Quá trình này được gọi là AquaRefining. Các vấn đề kỹ thuật đang làm chậm trễ việc triển khai công nghệ tại thời điểm này.

Mỗi quốc gia có nguồn lực và luật lệ riêng để tái chế pin một cách có lãi. Ở Bắc Mỹ, các nhà máy tái chế tính tiền dựa trên cân nặng pin và đơn giá thay đổi theo loại hóa chất. NiMh có thể thu hồi được niken và có khả năng có lãi, nhưng NiCd thì không do giá cadimi khá rẻ. Đối với li-ion, các nhà tái chế rất kém mặn mà do khả năng thu được kim loại là rất ít nên đơn giá tái chế rất cao. Các chính phủ thường tài trợ cho hoạt động này. Việc tái chế chủ yếu để tách lấy cô ban, vốn là kim loại đắt đỏ. Hiện không có công nghệ nào luyện được lithium từ tái chế đủ tinh khiết để làm pin thêm lần nữa, chúng gọi là lithium second hand. Loại này thường được dùng trong chất bôi trơn, chế tạo kính, gốm và nhiều ứng dụng khác.

Giá để tái chế một tấn pin là $1,000 tới $2,000; Châu Âu hi vọng đạt được con số $300 đã bao gồm chi phí ship. Người ta hi vọng công nghệ sẽ giúp tái chế pin trở thành có lời mà không cần trợ cấp chính phủ. Tuy nhiên hiện nay riêng chi phí vận hành và xử lý đã có thể gấp đôi con số này.

Xem thêm: Tái chế pin có lời không